Problématique
Les enrobés tièdes ne sont appliqués que depuis une dizaine d’année pour les plus anciennes technologies. Ils sont de plus en continuel développement. Ainsi, le recul sur ces technologies est encore faible et les performances sur l’ensemble du cycle de vie se doivent d’être analysées.
Au niveau de la formulation, de l’optimisation de la formulation et des performances mécaniques à court terme des analyses sont encore nécessaires. Il s'agit d'apporter des informations quant aux problématiques suivantes:
• Quels sont les paramètres à considérer lors de la formulation?
• Comment optimiser les performances?
• Les outils de formulation classique peuvent-ils sans autres être adaptés aux enrobés tièdes?
• Quelles sont les caractéristiques critiques lors du processus de montée en performance?
Programme détaillé de la recherche spécifique RS-3
Le principe général de cette recherche spécifique consiste à analyser la méthodologie de formulation des enrobés tièdes ainsi que l'optimisation des performances à court terme, ceci comparativement aux enrobés à chaud traditionnels.
Conformément aux documents d'appel d'offre et à [1], les procédés indiqués dans la Figure 1 seront considérés dans le cadre de cette recherche spécifique.
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Catégorie |
Procédé |
Production |
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Centrale |
Laboratoire |
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Fil rouge |
Tiède – Modification de la séquence d'enrobage |
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þ |
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Tiède – Introduction d'eau |
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Tiède – Basé sur chimie (cire) |
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Tiède – Combinaison de principes |
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Procédés additionnels |
Semi-tiède – Introduction d'eau |
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Tiède – Basé sur chimie (liant vert) |
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Tiède – Basé sur chimie (package chimique) |
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Mélange de référence |
Chaud – Enrobé couche de base classique |
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þ |
Figure 1: Procédés pour RS-3
Les procédés du fil rouge ainsi que le mélange de référence feront donc l'objet de fabrications en laboratoire ainsi que de fabrications en centrale, alors que les procédés additionnels ne seront fabriqués qu'en laboratoire. Le choix des produits pour chacun des procédés de la recherche (fil rouge/procédés additionnels) sera effectué en accord avec la direction du projet. Une proposition de produit sera effectuée dans les premières semaines suivant le début du paquet de recherches.
La formulation est très largement dépendante du type de procédé (et de produit) appliqué, c'est pourquoi, dans cette recherche spécifique, les différents procédés additionnels seront également pris en considération.
L'organisation des fabrications en centrale fait partie intégrante de cette recherche spécifique et elle sera détaillée plus loin.
L'organisation générale de la recherche est représentée dans la Figure 2, les différentes étapes étant détaillées par la suite.
Figure 2: Organigramme de la recherche spécifique RS-3 (voir lien ci-dessous)
1. Etat des connaissances
Une mise à jour des connaissances dans le domaine et une analyse critique de l'état des connaissances est nécessaire dans une première phase. L'état des connaissances sera principalement axé sur les deux aspects ci-dessous. Il est à relever que tant la formulation (et optimisation des performances) que les caractéristiques mécaniques critiques ne peuvent être généralisées à tous les procédés tièdes et semi-tièdes. Des considérations relatives aux différentes familles de procédés devront être faites séparément.
1.1 Formulation des enrobés tièdes
La formulation des enrobés tièdes et les potentielles différences avec les enrobés traditionnels à chaud ne sont que peu traitées dans la littérature [1]. Cependant, il est nécessaire de recueillir toutes les informations disponibles (nationales et internationales) dans une première phase. Des publications relatives à l'optimisation des performances des enrobés tièdes seront également cherchées.
1.2 Caractéristiques et performances mécaniques critiques
Les caractéristiques mécaniques potentiellement critiques ou non vérifiées pour les différents types d'enrobés tièdes doivent également être analysées. Ceci permettra également de mieux ajuster la future évaluation des performances en se focalisant sur les éléments les plus significatifs.
Des informations importantes relatives à l'état des connaissances seront également recueillies auprès des partenaires avec lesquels le LAVOC a engagé des collaborations sur la thématique (voir plus loin) ainsi que auprès du FEHRL (Forum of European National Highway Research Laboratories) pour ce qui est des expériences en Europe et aux Etats-Unis (membre associé du FEHRL).
2. Analyse des expériences in-situ
Suite à l'état des connaissances, une analyse de différentes expériences in-situ sera conduite. Cette analyse concerne en première priorité les expériences suisses de pose d'enrobés tièdes. Une sélection de planches (3) seront analysées dans le détail afin de tirer des premiers enseignements en vue de la formulation et de son optimisation.
Des informations seront également recueillies à l'étranger, notamment au-travers du FEHRL dont le LAVOC est représentant suisse. Il est à relever que le LAVOC dispose également de données relatives à des expériences in-situ en Suisse et à l'étranger, ceci en raison de contacts en Belgique et en France. Par ailleurs, des informations seront également fournies par des essais menés en conditions contrôlées (halle-fosse, 2010) sur un enrobé tiède avec ajout de cire. Si cela est possible, un suivi de sections posées in-situ durant le déroulement de la recherche sera également conduit ainsi qu’un suivi de températures durant la pose de l'enrobé et son refroidissement.
Pour la sélection de planches en enrobé tièdes, l'historique de construction sera analysé dans un premier temps (date, conditions climatiques, matériel utilisé,…). Par la suite, l'analyse comprendra les éléments ci-après.
2.1 Etat structurel et fonctionnel
Une brève analyse de l'état structurel et fonctionnel des planches sera conduite.
L’état structurel décrit le comportement mécanique de la chaussée, qu’il soit actuel ou qu’il conditionne le comportement futur de celle-ci. Les performances structurelles sont par exemple l’orniérage, la fissuration thermique ou la fatigue mécanique. Dans le cadre de cette recherche, il est proposé d'effectuer des mesures de portance (Falling Weight Deflectometer – FWD) afin de caractériser l'état structurel. Ces mesures de portance permettront en outre de déterminer le module des couches par calculation inverse.
L’état fonctionnel comprend les caractéristiques de la surface de roulement qui ont une influence sur la sécurité et le confort de l'usager. Afin de caractériser l'état fonctionnel, un relevé de l'état de surface et de l'uni longitudinal et transversal seront conduits. Des mesures de l'état fonctionnel ne seront effectuées que dans le cas d'un enrobé tiède posé en couche de roulement.
2.2 Formulation
Une analyse de la formulation utilisée pour les planches in-situ sera également mise en regard avec les données relatives aux performances, obtenues auprès des gestionnaires, et des mesures d'état fonctionnel et structurel (2.1) effectuées.
Ces différentes informations permettront de proposer des premières recommandations pour la formulation et l'optimisation des performances qui seront conduits en laboratoire dans la suite de cette recherche. Par ailleurs, des informations relatives aux performances mécaniques potentiellement critiques pourront également être dérivées et utilisées dans la suite de la recherche (étape 4).
3. Formulation
La phase de formulation et optimisation des performances constitue, avec l'évaluation des performances, la partie centrale de cette recherche. Pour la formulation, il est recommandé de sélectionner "au moins une méthode traditionnelle". Il est proposé ici d'utiliser d'une part la méthode de formulation classique suisse (optimisation Marshall), mais également d'utiliser une méthode de formulation volumique. Ceci sera détaillé plus loin.
3.1 Essais de caractérisation
Afin de pouvoir conduire la formulation, une première phase d'identification des caractéristiques des différents composants est nécessaire. L'identification des composants concerne en particulier les éléments suivants:
• Bitume : Pénétration, température A&B, viscosité, IP, Fraass (essais de caractérisation partiels)
• Filler : Granulométrie, masse volumique, pourcentage de vides (Rigden)
• Sable : Granulométrie, masse volumique, angularité
• Pierres : Granulométrie, masse volumique, angularité
Dans cette phase, les éléments fixes pour toute la durée de la recherche ainsi que les différents éléments variables seront identifiés. Ceci concerne par exemple le type de liant, type de granulat, ajout de matériaux recyclés,… Une proposition sera faite à la commission de suivi. Concernant le choix des granulats, il est primordial que ce dernier soit fait en accord avec les autres recherches spécifiques concernées. Nous proposons ici d'utiliser les granulats utilisés par la centrale dans laquelle les différentes productions seront faites.
3.2 Maîtrise de la viscosité
La viscosité de l'enrobé est l'élément clef à la base des différents procédés d'enrobé tiède ([1], [4]) et donc de leur formulation. En effet, l'utilisation de cire, additif chimique ou alors le moussage du bitume sont différents moyens permettant de diminuer la viscosité du mélange lors de la production et du compactage, le tout en abaissant les températures. Il est donc primordial dans un premier temps de bien comprendre les mécanismes inhérents aux différents procédés tièdes. Une étude spécifique sur la maîtrise de la viscosité est donc proposée. Les mesures suivantes seront faites:
• Mesures de viscosité des liants bruts/modifiés : Ces mesures seront effectuées au moyen du rhéomètre cône et plaque utilisé traditionnellement dans le cadre des essais de caractérisation des liants.
• Mesures de viscosité des mastics bruts/modifiés : Il est unanimement reconnu que le mastic joue un rôle primordial sur les performances futures de l'enrobé bitumineux. Il est donc proposé d'effectuer une analyse de viscosité du mastic à différentes températures. Pour cela, un rhéomètre plan (type AR 2000, avec enceinte thermique à azote ou système Peltier) sera utilisé. Une première phase de l'analyse consistera à déterminer le domaine newtonien des différents mastics, pour ensuite effectuer un balayage en température entre 155°C et 15°C [7]. Le calcul de la composition du mastic se fera en appliquant les formules relatives au calcul du module de richesse.
• Mesures de maniabilité des enrobés bitumineux : Dans une dernière phase, la maniabilité des enrobés bitumineux sera évaluée. Pour cela, des éprouvettes à la presse à cisaillement giratoire (PCG) seront compactées. Des mesures au moyen du maniabilimètre Nynas® (boîte de Casagrande) seront également menées.
Sur la base de ces mesures, il est également proposé d'effectuer une analyse de la maniabilité des différents enrobés tièdes. En effet, la température de production des enrobés tièdes peut être choisie dans une fourchette d’environ 30°C dont les bornes sont définies par le produit considéré. Il est donc nécessaire de définir quelle est la température optimale de production de l'enrobé, ainsi que la température optimale de fabrication des éprouvettes Marshall et PCG. En effet, selon les normes en vigueur pour les enrobés à chaud, les éprouvettes Marshall se compactent à 135°C et les éprouvettes PCG se compactent à 150°C. Ces températures se doivent d'être adaptées dans le cas d'enrobés tièdes produits à des températures plus faibles. Pour cela, il est proposé d'utiliser l'approche proposée par [15] qui consiste à effectuer le compactage à différentes températures, puis choisir la température de compactage fournissant un même degré de compacité qu'obtenu avec le mélange de référence à chaud. Cette approche est illustrée dans la Figure 3.
Figure 3: Approche pour détermination de la température optimale de compactage des éprouvettes(voir lien ci-dessous)
La méthodologie proposée ici permettra finalement d'identifier les températures et conditionnements nécessaires pour les différents composants (filler, granulats, sable, bitume, additifs), mais également et surtout de définir des températures optimales de compactage des éprouvettes (PCG, Marshall, plaques…).
La meilleure compréhension de la maîtrise de la viscosité des différents types de procédés tièdes permettra de fournir les bases nécessaires et suffisantes à la formulation.
3.3 Formulation théorique et validation en laboratoire
Comme mentionné précédemment, la formulation se fera selon deux méthodes. Dans un premier temps, il est proposé d'appliquer la méthode de formulation analytique développée par le Centre de Recherche Routière belge (C.R.R.) [19]. Cette méthode largement reconnue consiste à effectuer une formulation volumique analytique, les résultats étant traduits en masse dans une ultime étape. Afin d'effectuer cette formulation théorique, le logiciel PradoWin est utilisé. L'utilisation du logiciel permet également d'obtenir une estimation théorique, selon différents modèles, des performances futures (module, fatigue, orniérage,..) sur la base de la formulation théorique proposée. Les résultats seront finalement à avaliser par des essais limités en laboratoire (Marshall). Le recours à une méthode analytique de formulation présente notamment pour avantage la possibilité de faire l’investigation de différentes formulations et analyses paramétriques en utilisant le module de prévision des performances.
Dans le cadre de cette recherche, nous proposons d'appliquer cette méthode belge de formulation, mais de l'adapter avec le recours à une analyse de la compactibilité en laboratoire (PCG, Marshall) tel que développé par Dumont et al. dans le cadre du mandat de recherche [2]. La méthodologie est illustrée dans la Figure 4.
(FIG.4 voir lien ci-dessous)
En plus de la méthode belge de formulation, la méthode traditionnelle suisse selon l'approche Marshall sera également appliquée. Cette méthode vise à choisir de manière itérative une teneur en liant et granulométrie satisfaisant les critères Marshall de vides, stabilité et fluage.
Dans l'ensemble de la procédure de formulation, une attention particulière sera portée au module de richesse dont le rôle est primordial afin d'assurer un film de liant qui soit suffisant.
3.4 Analyse de sensibilité
L'analyse de sensibilité sera conduite au gré des résultats de formulation et optimisation des performances. Cette analyse aura également pour objectif de mettre en exergue les différences entre les différents types de procédés tièdes ainsi que les paramètres relatifs à la formulation selon chacun de ces procédés.
3.5 Considérations relatives à l'ajout de matériaux recyclés
Comme indiqué dans [1] ainsi que dans les documents d'appel d'offre, des considérations relatives à l'ajout de matériaux recyclés dans les enrobés tièdes sont également attendues. Le choix du fraisat se portera certainement sur un fraisat disponible à la centrale d'enrobage ; l'homogénéité du fraisat étant cruciale. Ce choix sera fait en accord avec la direction du projet et les autres recherches spécifiques concernées.
Dans une première phase, des essais de caractérisation du fraisat sont indispensable, ceci afin de mieux comprendre par la suite le comportement du mélange. Ces essais de caractérisation du fraisat concernent:
• Analyse granulométrique
• Récupération et examen de qualification partiel du liant (Pen, A&B, viscosité, Fraass, IP)
• Pourcentage de surface cassée
• Essai d'écoulement
• Sensibilité aux sollicitations thermique
• Teneur en filler du RAP
L'ajout de matériaux recyclés peut s'avérer bénéfique pour certaines propriétés du mélange bitumineux, le dosage optimal étant à déterminer [20]. Quelques considérations théoriques seront effectuées dans une première phase ainsi qu'une mise à jour des connaissances. Il est ensuite proposé d'effectuer une formulation théorique ainsi qu'une série limitée d'essais performantiels, ceci pour deux mélanges du fil rouge. Ces deux types de mélange sont à déterminer suite aux résultats obtenus lors des phases précédentes. Pour les deux mélanges, l'ajout de matériaux recyclés à chaud, à des taux de 20% et 50% (en masse des granulats) sera analysé.
Pour cette partie de la recherche, l'expérience acquise lors du projet [6] sera également bénéfique.
4. Evaluation des performances (montée en performance)
Pour les différents enrobés tièdes (fil rouge et procédés complémentaires) ainsi que l'enrobé de référence à chaud, l’évolution des performances à court terme est à évaluer dans le cadre de cette recherche spécifique.
Il est important de définir en tout premier lieu ce qui est compris sous la dénomination de montée en performance ou performance à "court terme", comme mentionné dans les documents d'appel d'offre. Pour cette recherche spécifique, nous proposons d'associer la montée en performance au temps nécessaire jusqu'à obtention des performances maximales du mélange, ceci en fixant une durée maximale de 12 semaines. Ainsi, dans une première étape, la montée en performance sera analysée en effectuant des essais après 1, 2, 4, 8 et 12 semaines. Ce pas de temps pourra être adapté au gré des résultats obtenus. Cette notion de montée en performance est par ailleurs à mettre en regard avec la RS-4 "durabilité et vieillissement" qui elle, considère les performances de l'enrobé sur le long terme.
Concernant les performances et caractéristiques à analyser, les performances identifiées comme potentiellement critiques et/ou non vérifiées seront évaluées en priorité. Pour cela, des recherches bibliographiques ainsi que les expériences en cours ou réalisées fourniront de précieuses informations.
Nous proposons ici d'évaluer les éléments suivants:
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Performance / caractéristique |
Essai proposé |
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Sensibilité à l'eau |
Traction indirecte avec/sans conditionnement |
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Comportement à basse température |
Compression diamétrale [8]
Retrait thermique empêché (TSRST) – éventuellement |
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Comportement à hautes températures |
Compression diamétrale [8] |
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Essai dynamique |
Module sécant (NAT) |
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Orniérage |
Simulateur de trafic |
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Stabilité et Fluage |
Essai Marshall |
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Module d'élasticité |
Flexion 2 points (éprouvettes trapézoïdales) |
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Fatigue |
Flexion 2 points (éprouvettes trapézoïdales) |
Figure 5: Essais pour évaluation des performances
Les différentes caractéristiques / performances ne seront pas toutes évaluées aux différents pas de temps, ceci afin de se concentrer sur les éléments jugés déterminants. Par ailleurs, les différents essais proposés ainsi que les conditions d'essais seront à discuter avec la commission de suivi.
L'expérience acquise par ces différents essais permettra en outre d'évaluer la compatibilité des différentes méthodes avec les procédés tièdes. Pour le cas des enrobés tièdes, des considérations relatives aux conditions d'essais et aux valeurs limites seront proposées.
5. Conclusions et recommandations
Les différentes conclusions et recommandations ont pour objectif de répondre aux résultats attendus, sur la base de la recherche qui aura été menée.
5.1 Formulation et optimisation des performances
L'impact sur la formulation et l'optimisation des performances des enrobés tièdes sera analysé, ceci en comparaison avec les enrobés classiques à chaud. Par ailleurs, des considérations seront faites selon le type de procédé tiède appliqué. Par exemple, dans le cas de l'utilisation d'un granulat de type zéolithe, on peut alors se demander si ce dernier se doit d'être considéré dans la courbe granulométrique. On pourra également se demander si l'utilisation d'additif influe sur la teneur en liant nécessaire pour le mélange. Ceci illustre si besoin était les particularités relatives à chacun des procédés tièdes. L'impact des enrobés tièdes sur la formulation sera donc évalué. Si nécessaire, ces résultats pourraient alors être intégrés dans un outil de formulation.
Une méthodologie pour la formulation et l'optimisation des performances des enrobés tièdes sera finalement proposée.
5.2 Montée en performance
L'analyse des performances au jeune âge et du processus de montée en performance permettra également de fournir des recommandations quant aux caractéristiques potentiellement critiques selon le type de procédé tiède appliqué. De même, des recommandations concernant les procédures d'essais et interprétation des résultats seront faites.
Les performances mécaniques obtenues seront également analysées en regard des gains en températures. Ceci se fera en collaboration étroite avec la RS-2 "Bilan énergétique et écologique" et permettra de fournir d'importantes informations notamment à la RS-5 en charge de l'élaboration du modèle multicritère.
5.3 Ajout de matériaux recyclés
Des considérations relatives à l'ajout de matériaux recyclés dans les enrobés tièdes seront également faites. Ces considérations qui s'appuient sur une analyse théorique et la réalisation d'une série limitée d'essais en laboratoire concernent la procédure de formulation et d'optimisation des performances ainsi que l'évaluation des performances potentiellement critiques.
5.4 Bases pour la normalisation
Les principaux résultats obtenus seront discutés en vue de fournir une base pour la normalisation dans le domaine des enrobés tièdes.
6. Organisation des fabrications en centrale
Comme demandé dans les documents d'appel d'offre, la présente recherche spécifique se doit d'effectuer l'organisation des fabrications en centrale. Les procédés du fil rouge seront fabriqués en centrale. Une seule centrale d'enrobage sera utilisée dans ce projet [1]. Concernant le choix de la centrale d'enrobage, une proposition sera faite dès le début de la recherche, proposition à avaliser par la commission de suivi et les partenaires. Des contacts ont d'ores et déjà été pris afin de trouver une centrale souhaitant collaborer dans le cadre de cette recherche. De plus, les tâches suivantes seront assurées lors de l'organisation des fabrications en centrale:
• Mise au point d'un protocole de collaboration avec la centrale
• Prélèvements de matériaux bruts pour les différentes recherches spécifiques intéressées
• Essais de caractérisation des matériaux bruts (phase 3.1 de la présente recherche)
• Proposition d'une formulation pour fabrications à la centrale d'enrobage
• Recueil des quantités d'enrobés nécessaires aux différentes recherches spécifiques
• Organisation de la fabrication de gâchées tests
• Suivi des fabrications et recueil des protocoles de fabrication auprès de la centrale
• Acheminement des mélanges chez les différents laboratoires partenaires
• Vérification des productions à la centrale par des analyses de l'enrobé en laboratoire
Comme représenté dans le l'organigramme de la recherche ainsi que dans les plannings, l'organisation des fabrications en centrale se fera en parallèle à l'exécution de la recherche.
Pour une fabrication efficace en centrale, une forte coordination sera nécessaire avec la RS-0 (Pilotage et synthèse) et les autres recherches spécifiques, en particulier la RS-1 (Impact sur les centrales d'enrobage) et la RS-2 (Bilan énergétique et écologique) afin qu'elles puissent effectuer les mesures requises par leurs mandats.
Apport technique
L'apport technique aux autres recherches se fera principalement par le biais de l'expérience acquise par le LAVOC au cours des dernières années au sujet des enrobés tièdes. Ceci concerne tout particulièrement la formulation, l'évaluation des performances, les considérations écologiques et énergétiques. Ces différents aspects sont consolidés au-travers de nombreux contacts avec des spécialistes du domaine au niveau national et international.
Un important apport technique est également assuré par les collaborations internationales avec des instituts de recherche actifs dans le domaine tels que le Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC) en France et le Centre de Recherche Routière (CRR) en Belgique. Plus particulièrement, des collaborations sont engagées avec le LCPC sur la thématique des mesures d'émissions relatives aux enrobés tièdes (mesures en centrale ainsi qu'en laboratoire) et sur l'évaluation énergétique des enrobés tièdes. La collaboration avec le CRR belge est principalement axée sur la formulation et l'évaluation des performances des enrobés tièdes [22].
