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Étude de l’influence du recyclage d’enrobés tièdes contenant l’additif Sasobit®.

Auteur : Arnaud MONTALANT

INSA de Strasbourg, Spécialité Génie Civil

Tuteur Laboratoire : Alan CARTER

École de Technologie Supérieure, Ingénieur, Ph.D., Professeur

Tuteurs INSA de Strasbourg : Cyrille CHAZALLON et Éric CHARDIGNY

INSA de Strasbourg, Spécialité Génie Civil

MÉMOIRE DE PFE

Spécialité Génie Civil

08 juin 2011

Mémoire de PFE Étude de l’influence du recyclage d’enrobés

tièdes contenant l’additif Sasobit®

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REMERCIEMENTS

Au terme de ce PFE, je souhaite remercier Alan Carter, mon tuteur à l’ETS, qui m’a permis de réaliser ce projet au sein du laboratoire LUCREB. Il m’a donné les moyens de réaliser ce projet novateur dans le domaine des enrobés.

Je remercie également les deux techniciens Francis Bilodeau et Alain Desjardins qui m’ont donné de précieux conseils, et m’ont transmis les techniques nécessaires à de nombreux essais conduits au cours de ce projet.

Je remercie aussi M. Cyrille Chazallon et Éric Chardigny pour leurs commentaires sur mon projet qui m’a permis d’avancer dans la bonne direction et ainsi mener à bien mon projet.

Je désire remercier Simon Lachambre pour son aide lors de la réalisation d’enrobés. En effet, nous avons décidé de nous aider mutuellement pour garantir une meilleure qualité de nos enrobés.

Enfin, j’exprime ma reconnaissance à toutes les personnes que j’ai rencontrées lors de ce projet et qui ont tout fait pour que cette période me soit à la fois utile, formatrice et agréable.



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RÉSUMÉ

Ce projet s’inscrit dans un contexte de pénurie de matériaux dans plusieurs pays. En effet, le recyclage des routes en phase de réhabilitation est désormais incontournable. De plus, la technique dans le domaine de la construction routière évolue, ce qui se traduit notamment par des baisses de température de réalisation des enrobés. Cette diminution est possible grâce à l’ajout d’un additif dans le bitume tel que la cire synthétique Sasobit®. Actuellement, il s’agit de l’additif le plus utilisé, c’est pourquoi nous devons nous poser l’interrogation de sa capacité vis-à-vis du recyclage.

L’objectif principal de ce projet sera donc d’étudier l’influence de l’additif Sasobit® dans le recyclage d’enrobés. Pour cela, il a été nécessaire de formuler à la Presse à Cisaillement Giratoire trois types d’enrobés. Tout d’abord, un ESG-10 témoin, réalisé à chaud, puis un enrobé semi-grenu ESG-10 tiède contenant 1,8% de Sasobit®. Cet enrobé tiède sera vieilli suivant une procédure définie par le SHRP (Strategic Highway Research Program) au cours de laquelle l’enrobé est notamment chauffé 120 heures à 85°C, constituant ainsi des Granulats Bitumineux Recyclé (GBR). Ensuite, en parallèle de la formulation à la PCG du troisième enrobé ESG-10 contenant 25% de GBR, réalisés en laboratoire, le bitume sera extrait de l’enrobé vieilli pour y subir une série de tests visant à déterminer le degré de son vieillissement.

Enfin, les trois mélanges ainsi réalisés seront testés à l’aide de l’essai de retrait thermique empêché (Temperature Stress Restrained Specimen Test) tandis que des essais au module complexe seront réalisés sur l’enrobé témoin puis sur l’enrobé contenant 25% de GBR.



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ABSTRACT

This project joins in a context of materials shortage in many countries. Indeed, at this point, the recycling of the road in phase of rehabilitation is unavoidable. Moreover, technology in the road construction field evolves constantly. One of the most useful results is the capacity to reduce the temperature in the asphalt manufacture process. This reduction is allowed by adding an additive like the synthetic was Sasobit® in the bitumen. Currently, it is the most widely used additive, thus the question of its recycling has to be asked.

The main objective of this project is to study the influence of the additive Sasobit® in the asphalt recycling. In this purpose, it is necessary to formulate three types of asphalt with the gyratory compactor. First, a control hot mix asphalt ESG-10, then a warm mix asphalt ESG-10 containing 1,8% of Sasobit®. This type of warm mix asphalt will be aged following a SHRP (Strategic Highway Research Program) procedure including heating the asphalt to 85°C for 120 hours, constituting Reclaimed Asphalt Pavement (RAP). Then, the bitumen of the RAP will be extracted and tested to define the degree of aging. Besides, the formulation of the third asphalt with 25% of RAP will be established with the gyratory compactor.

Finally, those three types of asphalt produced will be tested by the Temperature Stress Restrained Specimen Test (TSRST). The test of the complex modulus will be conducted on the control asphalt and the one containing 25% of RAP.



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SOMMAIRE

REMERCIEMENTS ......................................................................................................................... 2

RÉSUMÉ ....................................................................................................................................... 3

ABSTRACT .................................................................................................................................... 4

SOMMAIRE .................................................................................................................................. 5

LISTE DES FIGURES ........................................................................................................................ 7

LISTE DES TABLEAUX .................................................................................................................... 8

INTRODUCTION ............................................................................................................................ 9

1. PRÉSENTATION DU PROJET DE FIN D’ÉTUDES ...................................................................... 10

1.1. PRESENTATION DE L’ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPERIEURE ..................................................... 10

1.2. PRESENTATION DU LUCREB ............................................................................................ 10

1.3. OBJECTIF ET DESCRIPTION DU TRAVAIL REALISE .................................................................... 11

2. LE CONTEXTE ...................................................................................................................... 14

2.1. LES ENROBES BITUMINEUX ............................................................................................... 14 2.1.1. Présentation .................................................................................................................................. 14 2.1.2. Composition................................................................................................................................... 14 2.1.3. Les moyens de fabrication ............................................................................................................. 14 2.1.4. Les types d’enrobés bitumineux .................................................................................................... 14 2.1.5. Structure de chaussée et objectifs ................................................................................................. 14 2.1.6. Classification des enrobés ............................................................................................................. 15

2.2. LES ENROBES TIEDES ....................................................................................................... 16 2.2.1. Présentation et historique ............................................................................................................. 16 2.2.2. Les avantages ................................................................................................................................ 16 2.2.3. Les inconvénients........................................................................................................................... 16 2.2.4. Les différents procédés d’enrobés tièdes ....................................................................................... 17

2.3. L’ADDITIF SASOBIT® ....................................................................................................... 17 2.3.1. Présentation et historique ............................................................................................................. 17 2.3.2. Propriétés essentielles ................................................................................................................... 17 2.3.3. Les avantages ................................................................................................................................ 17 2.3.4. Les inconvénients........................................................................................................................... 18

2.4. LES ENROBES RECYCLES ................................................................................................... 18 2.4.1. Historique ...................................................................................................................................... 18 2.4.2. Le recyclage à chaud en centrale .................................................................................................. 19 2.4.3. Le recyclage à chaud en place ....................................................................................................... 19 2.4.4. Le recyclage à froid en centrale ..................................................................................................... 20 2.4.5. Le recyclage à froid en place ......................................................................................................... 21 2.4.6. Les avantages du recyclage ........................................................................................................... 21

2.5. LE VIEILLISSEMENT DU BITUME.......................................................................................... 21 2.5.1. La composition du bitume ............................................................................................................. 21 2.5.2. Caractérisation d’un bitume au Québec : le « PG » ....................................................................... 21 2.5.3. Caractérisation d’un bitume en France ......................................................................................... 23 2.5.4. Caractéristiques d’un vieux bitume ............................................................................................... 26 2.5.5. Essais pour vieillir un bitume ......................................................................................................... 27

2.6. LE VIEILLISSEMENT DES ENROBES ....................................................................................... 29



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2.6.1. Caractéristiques d’un vieil enrobé et fissuration ........................................................................... 29 2.6.2. Essais pour vieillir un enrobé ......................................................................................................... 29

2.7. LA FORMULATION .......................................................................................................... 29 2.7.1. La granulométrie ........................................................................................................................... 30 2.7.2. La formulation selon la méthode LC .............................................................................................. 30 2.7.3. L’essai PCG..................................................................................................................................... 31

2.8. L’ESSAI DE RESISTANCE A L’ORNIERAGE ............................................................................... 32

2.9. LES DIFFERENCES FRANCE/QUEBEC ................................................................................... 33

2.10. L’ESSAI DE RETRAIT THERMIQUE EMPECHE .......................................................................... 34

2.11. L’ESSAI DE CARACTERISATION DE MODULE COMPLEXE ............................................................ 35

3. FORMULATION, PROCÉDURES ET ESSAIS DES TROIS ENROBÉS TESTÉS .................................. 38

3.1. MATERIAUX ET MATERIELS ............................................................................................... 38

3.2. LA GRANULOMETRIE ....................................................................................................... 39 3.2.1. Première campagne d’essais ......................................................................................................... 39 3.2.1. Seconde campagne d’essais .......................................................................................................... 41

3.3. LA FORMULATION DE LA PHASE 1 ...................................................................................... 42 3.3.1. L’enrobé témoin : ESG-10 à chaud ................................................................................................ 42 3.3.2. L’enrobé ESG-10 contenant 1,8% de Sasobit® ............................................................................... 44

3.4. LA FORMULATION DE LA PHASE 2 ...................................................................................... 46

3.5. ESSAIS ET PROCEDURES DES DEUX PHASES ........................................................................... 48 3.5.1. Procédure de malaxage des enrobés en laboratoire ..................................................................... 48 3.5.2. Procédure d’introduction du Sasobit® dans le bitume................................................................... 49 3.5.3. Procédure de compactage de plaque ............................................................................................ 49 3.5.4. Procédure de carottage des éprouvettes ...................................................................................... 50 3.5.5. Procédure de vieillissement des enrobés ....................................................................................... 53 3.5.6. Extraction du bitume contenu dans l’enrobé vieilli ....................................................................... 53

3.6. RESULTATS DES TESTS CONDUITS SUR LE BITUME VIEILLI ......................................................... 55 3.6.1. Essais de Performance Grade du bitume vieilli .............................................................................. 55 3.6.2. Essais de viscosité et de pénétration du bitume vieilli ................................................................... 55

4. INFLUENCE DU SASOBIT® DANS LES GBR : ESSAIS TSRST ET DE MODULE COMPLEXE ............. 58

4.1. RESULTATS DE L’ESSAI TSRST SUR LES TROIS ENROBES ETUDIES .............................................. 58 4.1.1. Résultats pour l’ESG-10 témoin ..................................................................................................... 58 4.1.2. Résultats pour l’ESG-10 contenant 1,8% de Sasobit® .................................................................... 59 4.1.3. Résultats pour l’ESG-10 composé de 25% de GBR contenant 1,8% de Sasobit® ........................... 60 4.1.4. Comparaison des trois mélanges................................................................................................... 61

4.2. RESULTATS DE L’ESSAI DE MODULE COMPLEXE ..................................................................... 62 4.2.1. Résultat pour l’ESG-10 témoin ...................................................................................................... 62 4.2.2. Résultats pour l’ESG-10 composé de 25% de GBR contenant 1,8% de Sasobit® ........................... 64 4.2.3. Comparaison des deux mélanges .................................................................................................. 65

5. CONCLUSION ET PERSPECTIVES ........................................................................................... 67

BIBLIOGRAPHIE .......................................................................................................................... 68

ANNEXES.................................................................................................................................... 71



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LISTE DES FIGURES

Figure 1.1 Photographie de l’ÉTS ............................................................................................. 10

Figure 1.2 Planning du travail de recherche bibliographique et de formulation..................... 12

Figure 1.3 Planning de la phase essais du projet ..................................................................... 13

Figure 2.1 Classification des enrobés selon leur température de réalisation [5] .................... 15

Figure 2.2 Chauffage de la chaussée en vue du recyclage [19] ............................................... 20

Figure 2.3 Appareil de l’essai de pénétrabilité ......................................................................... 24

Figure 2.4 Viscosimètre de Brookfield ..................................................................................... 25

Figure 2.5 Appareil de l'essai Bille-Anneau .............................................................................. 26

Figure 2.6 Représentation du RTFOT [wikipédia] .................................................................... 28

Figure 2.7 Représentation du PAV [20] .................................................................................... 28

Figure 2.8 Exemple de courbe de masse volumique maximale [27] ....................................... 30

Figure 2.9 Presse à Cisaillement Giratoire du LUCREB ............................................................. 32

Figure 2.10 Ornièreur du LUCREB ............................................................................................ 33

Figure 2.11 Les niveaux de la formulation [29] ........................................................................ 33

Figure 2.12 Courbe type de l'essai TSRST [32] ......................................................................... 34

Figure 2.13 Sollicitations lors du passage d'un véhicule en traction compression [33] .......... 35

Figure 2.14 Exemple de représentation du module complexe dans le plan de Cole et Cole [33] ........................................................................................................................................... 36

Figure 2.15 Exemple de représentation du module complexe dans l’espace de Black *33+ ... 37

Figure 3.1 Ensemble des mélanges testés à la PCG avec un bitume PG 70-28 ....................... 40

Figure 3.2 Ensemble des mélanges testés à la PCG avec un bitume PG 58-28 ....................... 42

Figure 3.3 Ensemble des résultats à la PCG des mélanges avec du bitume PG 58-28 ............. 43

Figure 3.4 Viscosités d'un bitume PG 58-28 en fonction de la température ........................... 44

Figure 3.5 Résultat de l'essai à la PCG du mélange contenant 1,8% de Sasobit® .................... 46

Figure 3.6 Courbe de pourcentage de vide de l'ESG-10 avec 25% de GBR contenant 1,8% de Sasobit® .................................................................................................................................... 47

Figure 3.7 Compacteur LCPC du LUCREB ................................................................................. 49

Figure 3.8 Exemple de plaque réalisée au compacteur LCPC .................................................. 50

Figure 3.9 Effets de bord d'une plaque à exclure lors du carottage ........................................ 51

Figure 3.10 Equipements nécessaires au carottage................................................................. 51

Figure 3.11 Exemple d'éprouvettes obtenues ......................................................................... 52

Figure 3.12 Exemple d’effets de bord d’une éprouvette ......................................................... 52

Figure 3.13 Appareil d'extraction du trychloroéthylène de la solution contenant le bitume de l’enrobé vieilli ........................................................................................................................... 54

Figure 3.14 Évolution du PG du bitume étudié ........................................................................ 55

Figure 3.15 Comparaison des viscosités d'un bitume PG 58-28 .............................................. 56



8

Figure 3.16 Évolution de la pénétrabilité du bitume étudié .................................................... 57

Figure 4.1 Essai TSRST de l'ESG-10 témoin............................................................................... 58

Figure 4.2 Essai TSRST de l'ESG-10 contenant 1,8% de Sasobit® ............................................. 59

Figure 4.3 Essai TSRST de l'ESG-10 composé de 25% de GBR contenant 1,8% de Sasobit® .... 60

Figure 4.4 Comparaison des trois mélanges étudiés par l'essai TSRST .................................... 61

Figure 4.5 Plan de Cole et Cole de l'ESG-10 témoin ................................................................. 63

Figure 4.6 Espace de Black de l'ESG-10 témoin ....................................................................... 63

Figure 4.7 Plan de Cole et Cole de l'ESG-10 composé de 25% de GBR contenant 1,8% de Sasobit® .................................................................................................................................... 64

Figure 4.8 Espace de Black de l'ESG-10 composé de 25% de GBR contenant 1,8% de Sasobit® .................................................................................................................................................. 64

Figure 4.9 Comparaison des deux mélanges dans le plan de Cole et Cole .............................. 65

Figure 4.10 Comparaison des deux mélanges dans l'espace de Black ..................................... 66

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 2.1 Les couches des chaussées souples...................................................................... 15

Tableau 3.1 Granulométrie des matériaux utilisés .................................................................. 38

Tableau 3.2 Ensemble des mélanges testés à la PCG avec un bitume PG 70-28 ..................... 39

Tableau 3.3 Ensemble des mélanges testés à la PCG avec un bitume PG 58-28 ..................... 41

Tableau 3.4 Températures à respecter lors de la réalisation de l’enrobé témoin de la phase 1 .................................................................................................................................................. 43

Tableau 3.5 Pourcentages massiques des constituants de l'ESG-10 phase 1 .......................... 44

Tableau 3.6 Températures d'emploi d'un bitume PG 58-28 selon le viscosimètre de Brookfield ................................................................................................................................. 45

Tableau 3.7 Températures choisie lors de d’emploi d’un bitume PG 58-28 ........................... 45

Tableau 3.8 Pourcentages massiques des constituants de l'ESG-10 phase 2 .......................... 46

Tableau 3.9 Températures à respecter lors de la réalisation de l'enrobé de la phase 2 ......... 47

Tableau 3.10 Comparaison des pourcentages de vides de contrôle des 3 mélanges ............. 48

Tableau 4.1 Récapitulatif de l'essai TSRST de l'ESG-10 témoin ............................................... 59

Tableau 4.2 Récapitulatif de l'essai TSRST de l'ESG-10 contenant 1,8% de Sasobit® .............. 60

Tableau 4.3 Récapitulatif de l'essai TSRST de l'ESG-10 composé de 25% de GBR contenant 1,8% de Sasobit® ...................................................................................................................... 61

Tableau 4.4 Récapitulatif de l'essai TSRST des trois mélanges étudiés ................................... 62



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INTRODUCTION

Le bitume, sous la forme d’enrobés, est apparu en France depuis plus d’un siècle et par la suite, la technologie dans ce domaine n’a cessé d’évoluer. À ce jour, les enrobés bitumineux ne sont plus systématiquement réalisés à 180°C, la plage de température a été étendue jusqu’à la température ambiante.

Les enrobés tièdes, que nous verrons plus en détail par la suite, sont réalisés à des températures comprises entre 100 et 130°C. Cette baisse des températures est bénéfique sur bien des niveaux. En effet, d’un point de vue économique, elle permet de fortement baisser le coût de fabrication. En outre, les enrobés tièdes peuvent être mis en place à des températures extérieures plus basses ce qui augmente la saison de compactage et les distances entre le chantier et la centrale. Le caractère écologique est lui aussi amélioré puisque les enrobés tièdes nécessitent moins d’énergies fossiles pour être réalisés. Ensuite, l’abaissement des températures a permis de réduire l’émission de vapeurs toxiques. Notons que les enrobés tièdes ont une meilleure durée de vie car le bitume est moins altéré lorsqu’il est moins chauffé.

Diverses méthodes ont vu le jour pour permettre cette baisse de température à la fois de conception et de mise en œuvre. Ces méthodes emploient soit des additifs soit des procédés de fabrication. Parmi les additifs, notons les plus courants ; il s’agit de la cire synthétique Sasobit®, d’émulsion Evotherm™. Les procédés, quant à eux, font généralement mousser le bitume avec de l’eau, citons les procédés LEA et Double Barrel Green.

Dans cette étude, nous chercherons à étudier l’additif Sasobit® au niveau du vieillissement et du recyclage. Le choix s’est porté sur l’additif Sasobit® car il est le plus utilisé actuellement et la question de son recyclage commence à se poser. Or dans l’optique du développement durable, les enrobés actuels contiennent environ 25% d’enrobés recyclés.

L’objectif de ce projet est d’étudier l’influence du recyclage d’enrobés tièdes contenant l’additif Sasobit®.

La première partie de cette étude sera donc constituée d’un état de l’art. Il s’agira ensuite de trouver un procédé qui permet de vieillir les enrobés de manière rapide et la plus proche possible de la réalité du terrain.

Ensuite, plusieurs enrobés ESG-10 seront réalisés avec et sans additif Sasobit® avant d’être testés par des essais de retrait thermique empêché (TSRST) et de module complexe. Enfin, une procédure de vieillissement accéléré en laboratoire sera appliquée à l’enrobé contenant l’additif Sasobit®. Une fois vieilli, cet enrobé sera recyclé afin de réaliser un ESG-10 malaxé à chaud. En outre, le bitume de l’enrobé vieilli sera extrait puis testé de diverses méthodes afin de déterminer son degré de vieillissement.



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1. PRÉSENTATION DU PROJET DE FIN D’ÉTUDES

1.1. Présentation de l’École de Technologie Supérieure

L’École de Technologie Supérieure (ÉTS) a été fondée en 1974 et fait partie du réseau de l’Université du Québec. Elle est spécialisée dans l’enseignement et la recherche en génie appliqué. Elle compte 5500 étudiants dans les trois cycles qu’elle propose. Et environ 25% des ingénieurs du Québec sont diplômés de l’ÉTS [1].

Enfin, notons que le budget de Recherche et Développement se situe chaque année aux alentours de 20 millions de dollars ce qui permet à cette école de posséder de très bons équipements dans ses laboratoires [1].

Figure 1.1 Photographie de l’ÉTS

1.2. Présentation du LUCREB

Le Laboratoire Universitaire sur les Chaussées, les Routes et les Enrobés Bitumineux (LUCREB) est l’un des cinq groupes de recherche du département de Génie de la Construction de l’ÉTS. Il a été créé pour répondre aux besoins en recherche et en développement dans le domaine des matériaux bitumineux.

Ce laboratoire est reconnu dans le domaine des enrobés bitumineux pour son savoir-faire et ses équipements. L’équipe compte trois professeurs, dont mon tuteur Alan Carter, et deux techniciens [2]. Les entreprises passent régulièrement des commandes d’essais ou d’études au laboratoire du fait de la bonne qualité des ses équipements.



11

1.3. Objectif et description du travail réalisé

Mon PFE s’est déroulé sous la tutelle d’Alan Carter, l’un des responsables du LUCREB. Au début, mes connaissances théoriques sur les enrobés étaient relativement limitées et mon expérience en matière de pratique nulle. Un certain temps a donc été nécessaire pour me familiariser avec ce matériau et ses essais correspondants. Une étude bibliographique a été réalisée avant de pouvoir commencer les essais.

L’objectif de mon projet est d’étudier l’influence de l’additif Sasobit® lors du recyclage d’enrobés tièdes. Pour cela, il a d’abord fallu trouver une procédure permettant de vieillir les enrobés afin que l’on puisse réaliser notre GBR. Ensuite, l’épreuve de formulation a pu débuter.

Cette phase d’apprentissage passée, avec mon tuteur Alan Carter, nous avons défini le travail à réaliser au sein du laboratoire. L’ensemble des démarches peut se synthétiser dans l’organigramme suivant :

Le travail réalisé peut se décomposer en plusieurs phases, tout d’abord la phase étude bibliographique, puis la phase de formulation qui comprend 2 campagnes d’essais pour aboutir sur un mélange satisfaisant et enfin les 2 phases d’essais avant et après vieillissement. Notons que le bitume sera extrait de l’enrobé vieilli en laboratoire afin de caractériser le degré de vieillissement.

On ajoutera que l’essai TSRST (Temperature Stress Restrained Specimen Test), qui fera l’objet d’une partie par la suite, est le nom américain de l’essai de retrait thermique

EssaisMélanges phase 2

VieillissementEssaisMélanges phase 1

Type d'enrobé

ESG-10

(1) à chaud E* et TSRST

(2) tiède avec 1,8% de Sasobit

E* et TSRSTVieillir: 5j à

85°C

(3) 25% de GBR (2) tiède

E* et TSRST

Extraction du bitume

PG: BBR et DSR

Pénétrabilité et viscosité



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empêché permettant de caractériser la résistance de l’enrobé face aux fissurations thermiques.

De plus, les essais BBR et DSR sont utilisés pour caractériser les températures haute et basse du Performance Grade du bitume. On verra plus en détail cette terminologie dans la suite de ce rapport.

Le travail de recherche bibliographique et de formulation peut se décomposer selon la figure suivante :

Figure 1.2 Planning du travail de recherche bibliographique et de formulation

Enfin, voici le planning des phases de réalisation de l’enrobé et des essais :



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Figure 1.3 Planning de la phase essais du projet

Au début de ce projet, mon tuteur et moi-même avions défini un nombre de mélange et

donc d’essais plus conséquent. Mais étant donné la durée d’un essai au module complexe

(environ 3 jours) et les disponibilités de la machine, nous avons été contraints de réduire ce

nombre. En outre, nous avons rencontré une série de difficultés au laboratoire que je

détaillerai par la suite.



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2. LE CONTEXTE

2.1. Les enrobés bitumineux

2.1.1. Présentation

Tout d’abord, précisons que les termes enrobés ou enrobés bitumineux ou même encore graves bitumes et bétons bitumineux désignent un revêtement de voirie.

Historiquement, les liants hydrocarbonés et le bitume naturel sont utilisés depuis plus de 5000 ans. Mais le développement des liants hydrocarbonés est réellement apparu au début du 19ème siècle. On parle alors de mastic d’asphalte puis de goudron. En France, c’est en 1900 qu’on rapporte une des premières utilisations du bitume, utilisé pour les enrobés à chaud [3].

2.1.2. Composition

Au niveau de sa composition, un enrobé est un mélange de graviers, de granulats concassés, de sable et d’un liant hydrocarboné ; le bitume. Le bitume a pour rôle de lier les différents matériaux entre eux afin que le mélange présente les propriétés permettant de répondre aux contraintes appliquées et aux besoins attendus.

2.1.3. Les moyens de fabrication

La production industrielle des enrobés est réalisée dans une centrale d’enrobage. Cette méthode comprend le séchage et le chauffage des granulats à l’aide de tambour sécheur rotatif. Les centrales diffèrent dans leur méthode de fabrication. En effet, elles peuvent être discontinues ou continues.

2.1.4. Les types d’enrobés bitumineux

Suivant les usages, il existe plusieurs types d’enrobés au Québec. Ils peuvent se classer de la manière suivante [4] :

Les graves bitumes : pour les couches de base, de grosseur nominale maximale de 20 à 28mm et dont la teneur en bitume reste faible (3 à 4,5%).

Les enrobés de liaison : entre deux couches, de grosseur nominale maximale jusqu’à 14mm et dont la teneur en bitume se situe entre 4 et 5,2%.

Les enrobés de surface : pour la couche de roulement.

2.1.5. Structure de chaussée et objectifs

Au niveau de la structure d’une chaussée, plusieurs couches peuvent être réalisées, avec chacune son rôle à jouer :



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Tableau 2.1 Les couches des chaussées souples

2.1.6. Classification des enrobés

Les enrobés peuvent être de nature très variée. Une classification selon la température de fabrication semble appropriée et, de cette manière, Olard [5] donne un classement selon le graphique suivant :

Figure 2.1 Classification des enrobés selon leur température de réalisation [5]

Sur ce graphique, sont représentés les enrobés à chaud, les enrobés tièdes, semi-tièdes et les enrobés à froid.

Les enrobés à chaud sont réalisés à des températures comprises entre 150 et 180°C (302 à 356°F). De nos jours, les pays développés utilisent de plus en plus des enrobés à de plus faibles températures de fabrication et de mise en place. En effet les enrobés tièdes permettent une réduction de la température de fabrication et conduisent à une série de conséquences que l’on verra par la suite.

SOLLICITATIONS OBJECTIFS

roulement trafic, climat… sécurité des usagers

liaison confort

base trafic réduire les charges

fondation limite la déformation du sol support

réglage et portance du sol support

assure le trafic de chantier

diffusion des chargessol support

COUCHES

surface

assise

trafic chantierforme



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2.2. Les enrobés tièdes

Comme nous l’avons vu précédemment, un enrobé tiède est réalisé pour des températures comprises entre 100 et 130°C (soit entre 212 et 266°F) (la température peut monter jusqu’à 140°C selon les sources) [6]. De plus, depuis maintenant plusieurs années, les enrobés tièdes sont devenus incontournables pour diverses raisons, dont notamment la réduction d’énergies fossiles nécessaires à la réalisation, mais aussi la réduction de fumées lors du pavage.

2.2.1. Présentation et historique

Historiquement, les enrobés tièdes sont apparus entre 1995 et 1999 en Europe et plus précisément en Allemagne et en Norvège. En France, cette technique a connu des débuts plus tardifs puisqu’elle s’est mise en place dans les années 2000 à 2001. Au Canada et au Québec, les débuts datent de 2005 [6].

D’un point de vue quantitatif, plus de 10 millions de tonnes d’enrobés tièdes ont été pavés à travers le monde depuis 1995 [6] [7].

2.2.2. Les avantages

Les avantages attribués aux enrobés tièdes sont multiples. Le premier d’entre eux est évidemment le facteur économique. En effet, en abaissant la température de fabrication, la consommation d’énergie diminue. De plus, la période de l’année où le compactage est possible s’allonge. Enfin, les distances entre le chantier et la centrale sont revues à la hausse et la remise en circulation est bien plus rapide [8] [9].

La sécurité des ouvriers est en outre améliorée puisque les émissions de gaz toxiques seront moindres à des températures de compactage plus faibles [8] [9].

Le facteur écologique n’est pas en reste avec moins de consommation d’énergies fossiles, moins d’émanation et enfin avec la possibilité d’utiliser davantage d’enrobés recyclés [8] [9].

2.2.3. Les inconvénients

Néanmoins, le principal problème rencontré lorsque l’on abaisse la température est l’augmentation de viscosité du bitume. De ce fait, le bitume pourra ne pas correctement enrober les granulats et le compactage sera difficile à réaliser [10]. Ainsi l’enrobé n’aura probablement pas les caractéristiques attendues. Cette technique nécessite l’ajout d’un additif ou la modification du procédé de fabrication.

De plus, les enrobés tièdes ne sont pas développés à grande échelle, quelle que soit la technique utilisée. Ceci est principalement dû à un manque de demande, à des surcoûts lors de la production et à un manque d’information chez les maîtres d’ouvrage [11].



17

2.2.4. Les différents procédés d’enrobés tièdes

C’est pourquoi, dans le but d’abaisser la viscosité du bitume, divers procédés ont vu le jour. Ces procédés sont regroupés en deux familles. La première consiste à faire mousser le bitume par l’ajout d’eau ou d’un additif particulier. La seconde est basée sur l’utilisation d’additif composé de cire comme c’est le cas de l’additif Sasobit® [7].

2.3. L’additif Sasobit®

2.3.1. Présentation et historique

Dans ce rapport, nous nous pencherons sur l’additif Sasobit® qui appartient à la famille des additifs composés de cire. Il s’agit d’un produit conçu par la compagnie Sasol Wax et mis au point en 1997. C’est en fait une cire résultant d’un procédé de polymérisation complexe donnant de longues chaines de fins cristaux d’hydrocarbure aliphatique (CnH2n+2) [12].

Il s’agit de l’additif le plus utilisé. En effet, plus de 10 millions de tonnes d’enrobés contenant de la cire Sasobit® ont été réalisées à travers le monde [13].

2.3.2. Propriétés essentielles

Citons quelques propriétés importantes concernant cet additif [14] :

température de fusion : 285°C

température de solidification : 100°C

densité : 0,9 g/cm3 à 25°C

totalement soluble : au-delà de 115°C

cristallisation de la cire : sous 85°C

Enfin, concernant la quantité à introduire dans le liant, Sasol Wax recommande son emploi dans des proportions inférieures à 4% de masse du liant [14]. Notons que cela dépend fortement de la classe du liant employé et de divers additifs ajoutés. Néanmoins, d’après les nombreuses recherches réalisées sur ce sujet, la proportion optimale semble se situer entre 1,5 et 2% [12].

Au niveau de sa forme de livraison, cet additif peut se trouver sous forme de billes de 5mm de diamètre ou de 1mm, ou même sous forme de flocons de 3mm environ. On peut les trouver soit dans des sacs de 20kg ou même de 600kg [14].

2.3.3. Les avantages

D’après les différentes études réalisées sur l’additif Sasobit® jusqu’à présent, son utilisation comporte plusieurs avantages plus ou moins indépendants, voire même antagonistes, dont les principaux sont cités ci-dessous [7] [8] [9] :

Une réduction de consommation d’énergie fossile de l’ordre de 30%



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Une réduction des émissions de gaz à effet de serre lors du pavage, mais aussi lors de la conception

Possibilité de réaliser des chantiers par des températures inférieures à 5°C d’où une saison de pavage allongée

Les distances entre les centrales et les chantiers augmentent

Période de refroidissement plus court : retour plus rapide au trafic

Possibilité d’insérer davantage d’enrobés recyclés

Puis les propriétés que l’utilisation de Sasobit® confère :

Meilleure maniabilité de l’enrobé

Amélioration de la compacité (moins de vide après compactage)

Amélioration de la résistance à l’orniérage

Effet antivieillissement sur le liant (dû à la baisse des températures)

Augmentation des températures hautes et basses du grade de performance du liant

Réduction de la viscosité du liant

Augmentation de la température critique de craquement à basse température

Amélioration de la masse volumique de l’enrobé

Effet négatif sur la recouvrance élastique des liants modifiés aux polymères

Notons qu’un certain nombre de ces avantages sont récurrents aux enrobés tièdes.

2.3.4. Les inconvénients

Quelques études ont montré que l’utilisation de Sasobit® augmente le PG du bitume à basse et haute température [12] [15]. Il s’agit d’une conséquence peu appréciée notamment des les régions comme le Québec qui subissent de très faibles températures en hiver. D’après ces études, pour des quantités variant de 1,5 à 3%, le PG (Performance Grade) du bitume à basse température a de fortes chances de perdre une classe. Le Performance Grade sera expliqué dans la partie 2.5 qui traite du bitume.

Finalement, au cours de ce projet, nous serons amenés à confirmer ou infirmer certains avantages et inconvénients de cet additif.

2.4. Les enrobés recyclés

Ce projet est basé sur le recyclage d’enrobés, c’est pourquoi il est essentiel de faire le point sur les différentes techniques de recyclage, afin de mieux comprendre la problématique en jeu. Enfin, les diverses recherches nous donneront un ordre d’idée des pourcentages d’enrobés recyclés à utiliser dans ce projet.

2.4.1. Historique

Il existe différentes techniques pour recycler les chaussées. Elles comprennent le recyclage à froid, apparu au début de 20ème siècle, et le recyclage à chaud, aux alentours de 1930. Ces procédures de recyclage peuvent avoir lieu sur place ou en centrale. Historiquement, c’est la



19

crise pétrolière des années 1970 qui a conduit au développement de techniques permettant le recyclage des enrobés [16].

Dans les pays comme la France où les granulats commencent à manquer, le recyclage est devenu omniprésent. En effet, en 2007 et en France, près de 30% des anciens enrobés sont recyclés afin d’en recréer. À titre de comparaison, aux Pays-Bas, la proportion d’enrobés recyclés est proche de 100%, car ce pays se trouve en grande pénurie de granulats [17]. Ajoutons que cette pénurie n’est pas l’unique raison de l’utilisation d’enrobés recyclés mais qu’elle dépend de la politique d’un pays.

2.4.2. Le recyclage à chaud en centrale

Cette technique consiste à introduire les enrobés provenant de l’ancienne chaussée avec des granulats vierges et un liant bitumineux anhydre, puis à malaxer ces constituants dans un poste à chaud.

De manière empirique, le recyclage peut se classer en fonction du pourcentage contenu dans le nouvel enrobé [17] :

Le recyclage à faible taux : 10 à 25% de recyclé

Le recyclage à fort taux : 30 à 65% de recyclé

Notons que le recyclage à fort taux est préféré pour de grands chantiers.

Une attention particulière est portée sur l’homogénéité des recyclats (agrégats d’enrobés). De plus, il apparaît un changement du grade du bitume et les performances à long terme restent inconnues [16].

Exceptionnellement, le chiffre d’enrobés recyclés peut grimper à 100%, mais il s’agit le plus souvent d’expériences car les techniques pour atteindre ce chiffre restent pointues.

Néanmoins, cette technique est limitée puisqu'elle provoque une oxydation du bitume [16].

2.4.3. Le recyclage à chaud en place

Cette technique regroupe divers types de procédés, mais globalement, ils comportent tous une phase de chauffage de la surface afin de la ramollir. Pour cela, des préchauffeuses sont utilisées et permettent la montée en température jusqu’à 100 à 150°C dans la profondeur à traiter [16] [18].



20

Figure 2.2 Chauffage de la chaussée en vue du recyclage [19]

La chaussée est ensuite scarifiée avant de voir un ajout de granulats, de bitume et éventuellement d’un rajeunisseur. Enfin, le mélange intervient, suivi de la mise en place et du compactage. En général, l’équipement limite le pourcentage de granulats vierges à 30% [16].

Les avantages de cette technique sont tout d’abord la possibilité de traiter une seule voie et d'améliorer les profils longitudinaux et transversaux. Ces avantages sont contrebalancés par l’encombrement engendré par les différentes machines nécessaires, par la possibilité de générer une grande quantité de vapeur et enfin par l’épaisseur recyclable, soit 7cm environ [18].

Pour toutes ces raisons, cette technique est généralement utilisée sur de grands itinéraires aux bonnes caractéristiques géométriques comme les autoroutes ou voies express. Elle est aussi adaptée lors de décollement de la couche de roulement [18].

2.4.4. Le recyclage à froid en centrale

En Europe et en Amérique du Nord, les centrales d’enrobage à froid sont bien moins nombreuses que les centrales d’enrobage à chaud. Il s’agit donc d’une technique moins développée.

Le recyclage à froid en centrale s’effectue majoritairement à l’émulsion de bitume. De plus, les installations de ces centrales sont relativement faciles à déplacer, ainsi lorsqu’un chantier le justifie, la centrale peut être transférée à proximité du chantier. Enfin, le taux de recyclage peut s’élever à 100% si les acteurs respectent certaines conditions [17].



21

2.4.5. Le recyclage à froid en place

La technique de recyclage à froid in situ est une intervention superficielle. L’intervention est limitée à des profondeurs comprises entre 60 et 120mm. Le but de cette opération est de restaurer la surface de roulement durablement tout en respectant le critère économique. Selon le niveau de performance recherché et la nature des matériaux à traiter, diverses formulations d’émulsions de bitumes ont été mises au point [18].

2.4.6. Les avantages du recyclage

D’un point de vue environnemental, le recyclage de chaussées permet la réduction de consommation de bitume neuf, de granulats neufs et limite les besoins en stockage des déchets. En outre, ces avantages environnementaux sont intimement liés à des avantages économiques [16].

2.5. Le vieillissement du bitume

Le climat, le trafic, la qualité du bitume ou même la formulation sont des facteurs qui influent sur la durée de vie d’une chaussée [20]. Néanmoins, la durabilité et les performances d’une chaussée dépendent majoritairement du bitume présent. En effet, les paramètres mécaniques et rhéologiques et leur structure chimique évoluent dans le temps tout au long du service, on parle de long terme [20]. Pour éviter une dégradation prématurée de la chaussée, il faut donc connaître les caractéristiques du bitume vieilli et les essais qui permettent de prédire cette évolution.

2.5.1. La composition du bitume

Le bitume est un mélange naturel d’hydrocarbures et de leurs dérivés non métalliques. Il se présente comme un système colloïdal dans lequel se trouvent les asphaltènes, les résines et les huiles. Il s’agit d’un constituant issu du raffinage du pétrole d’où son prix élevé [10].

2.5.2. Caractérisation d’un bitume au Québec : le « PG »

Le bitume est un matériau très complexe. En effet, d’un point de vue mécanique, il s’agit d’u matériau viscoélastique. Il existe de nombreux tests pour le classer. Au Québec, c’est le système de Performance Grade (PG) qui a été retenu. Tandis qu’en France, c’est la pénétrabilité qui donne les classes de bitumes. Des essais complémentaires sont néanmoins nécessaires pour vérifier la conformité d’un bitume dans les deux zones géographiques étudiées.

Ces différences s’expliquent notamment par le fait qu’au Québec, les contraintes météorologiques sont prépondérantes. Il s’agit de donner par l’intermédiaire de deux chiffres (par exemple PG 58-28) la performance du bitume à haute température puis à basse température. Dans le cas d’un PG 58-28 :



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58 représente la température maximale qu’une chaussée peut supporter sur une période de 7 jours consécutifs.

-28 représente la température la plus basse qu’une chaussée peut supporter sur une période de référence.

En outre, ces indications donnent les températures de chauffage, de malaxage et de compactage lors de la réalisation d’un enrobé.

Au niveau de la température haute, c’est l’essai DSR (Dynamic Shear Rheometer) qui est utilisé. Cet essai permet d’étudier la rhéologie du bitume par cisaillement dynamique, c’est un essai détaillé dans la norme américaine AASHTO T 315. Des échantillons sous forme de pastille de 25mm de diamètre de bitume sont réalisés. La machine d’essais comporte deux plaques qui seront positionnées de part et d'autre de l’échantillon. Puis le bitume sera plongé dans de l’eau à température contrôlée. Le bitume sera alors testé pour la température haute de son PG et celle un niveau au dessus (64 et 70 pour un bitume de PG 64-28). Finalement, le test consiste à faire subir à l’échantillon 19 rotations de déformation 12%. Les résultats seront sous la forme d’une moyenne du module complexe divisé par le sinus de la déformation lors des 10 dernières mesures de l’essai. Si la température était effectivement la bonne, la valeur doit être supérieure à 1kPa à la température haute du PG et inférieure à 1kPa pour la température du niveau supérieur. Cet essai permet néanmoins, en passant par un calcul, de déterminer la température haute exacte du PG [12] [21]. Ajoutons que dans le cas de bitume vieilli, la valeur de 1kPa est remplacée par 2,2kPa.

L’essai donne :

δ: la déformation (en degrés)

G* : le module complexe (en Pascal)

Ces valeurs sont données pour les valeurs de température T1, proche du PG, et pour la température T2 de niveau supérieur au PG.

Ainsi, il reste plus qu’à calculer la température haute du PG par le calcul suivant :

Enfin, la température basse du PG est déterminée à l’aide de l’essai BBR (Bending Beam Rheometer). Il s’agit d’un essai qui suit la norme américaine AASHTO T 313 au cours de laquelle des poutres de bitumes sont réalisées, puis subissent un refroidissement contrôlé. Elles sont ensuite testées à deux températures, celle du PG basse température à laquelle il faut ajouter 10°C puis à celle du niveau inférieur à laquelle on ajoute encore 10°C (soit -18°C et -24°C pour un bitume de PG 64-28). La rigidité au fluage est mesurée et par l’intermédiaire de formules, la température basse du PG peut être déterminée. L’essai mesure la déflexion à 60 secondes ainsi que la pente de la courbe représentant la déflexion



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en fonction du temps en échelle logarithmique. [21] [22]. Si la première température (T1) était la bonne, alors pour la température du niveau inférieur (T2), la pente m(60) est inférieure à 0,300.

Ainsi :

On prendra finalement la température la plus élevée des deux calculées.

2.5.3. Caractérisation d’un bitume en France

En France, le bitume est classé à l’aide de l’essai de pénétrabilité. De la même manière qu’au Québec, des essais complémentaires seront conduits pour vérifier la conformité d’un bitume.

L’essai de pénétrabilité est composé d’une aiguille de dimensions spécifiques qui pénètre dans le bitume sous une charge connue (100g). Cet essai est réalisé à température constante de 25°C et ceci sur une durée fixée de 5 secondes. Finalement, la lecture de l’essai consiste à relever la pénétration de l’aiguille en dixième de millimètre.



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Figure 2.3 Appareil de l’essai de pénétrabilité

La mesure de la viscosité du bitume est un indicateur important des propriétés d’un bitume. Un essai a été pensé afin de mesurer cette viscosité, il s’agit de l’essai du viscosimètre de Brookfield. Cet essai se réfère à la norme LC 25-007 [30] et compte une méthode graphique et mathématique. C’est cette dernière qui sera utilisée par la suite. Tout d’abord, notons que le système Superpave donne une viscosité de malaxage de 0,17±0,02 Pa.s et de compactage de 0,28±0,03 Pa.s. Ensuite, il s’agit de mesurer, à l’aide du viscosimètre de Brookflield, les viscosités du bitume modifié à 135°C et à 165°C.

Disque de mesure de pénétration

Aiguille

Bitume à tester



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Figure 2.4 Viscosimètre de Brookfield

La démarche décrite dans la norme demande tout d’abord la mesure des viscosités :

Il faut ensuite calculer les viscosités substituées V1 et V2 et les températures substituées à l’aide des équations suivantes :

En outre, pour une viscosité visée Vm et Vc, on peut trouver la température associée Tm et Tc selon l’équation :

Enfin, la substitution inverse fait intervenir l’équation et donne tm et tc, température de malaxage et de compactage :



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Finalement, l’essai de Température Bille Anneau consiste à séparer la fraction basse et haute du bitume dans une éprouvette afin de représenter le fond et la surface d’un baril de stockage de bitume. Le bitume ainsi séparé est ensuite introduit dans un anneau afin de réaliser une pièce de bitume cerclé par l’anneau. Finalement, une bille est posée sur ces anneaux remplis de bitume et le tout est ensuite introduit dans un bécher d’eau qui sera chauffée. Avec l’augmentation progressive de la température et la masse de la bille, le bitume va progressivement s’affaisser. Enfin, lorsqu’il attendra une certaine distance normalisée, la température sera notée. Cet essai permet de comparer les différences de température entre la fraction de la surface et du fond du bitume.

Figure 2.5 Appareil de l'essai Bille-Anneau

Sur cette photo, on peut voir le bitume qui commence à s’enfoncer sous le poids de la bille.

2.5.4. Caractéristiques d’un vieux bitume

Dès son stockage en raffinerie, le bitume a tendance à vieillir et alors à durcir et devient moins adhésif. Il a été montré que plusieurs phénomènes étaient en jeu dans ce vieillissement [10] :

L’oxydation causée par des réactions entre l’oxygène de l’air ambiant et le bitume.

L’évaporation des huiles présentes dans le bitume due à la fabrication des enrobés bitumineux à des températures élevées.

La dégradation de certaines huiles par l’effet de la lumière.

Thermomètre

Becher rempli d’eau

Plaque chauffante

Dispositif bille anneau



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Il est ensuite aisé d’identifier les différents paramètres qui interviennent dans le vieillissement du bitume [10] :

L’oxydation

La volatilisation des huiles

La température

La lumière et plus précisément les ultraviolets

L’épaisseur des films de bitume

L’humidité des granulats

Le pourcentage de vide

Les charges

La nature du bitume

La résistance des bitumes peut se calculer en exprimant son indice d’instabilité colloïdal [10].

Pour améliorer la durabilité des chaussées, il semble donc impératif de déterminer dans quelles mesures, ces phénomènes dégradent les caractéristiques des bitumes, et cela passe par des essais.

2.5.5. Essais pour vieillir un bitume

Actuellement, les professionnels utilisent deux essais pour simuler le vieillissement du bitume. Il s’agit des essais RTFOT (Rolling Thin Film Oven Test) et PAV (Pressure Aging Vessel) qui simulent respectivement le vieillissement du bitume au cours de l’enrobage et le vieillissement in situ.

Tout d’abord, le RTFOT est un essai qui date de 1963. Au cours de l’enrobage, les granulats sont chauffés à des températures proches de 160°C puis sont mis en contact avec le bitume chaud. Cet essai cherche à simuler le vieillissement qui se produit durant cette phase. Ainsi, au cours de cet essai, un film mince de bitume est régulièrement exposé à un flux d’air à 163°C (325°F), dont le débit est contrôlé, et ceci pendant 75 minutes. Au terme de cette procédure, le bitume est ensuite testé afin de déterminer ses propriétés courantes [20].



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Figure 2.6 Représentation du RTFOT [wikipédia]

Le vieillissement du bitume une fois en service est très différent en comparaison avec sa mise en œuvre. C’est pourquoi un autre essai a été imaginé pour caractériser le vieillissement in situ sur du long terme.

Lors de l’essai PAV, le résidu de l’essai RTFOT est chauffé puis versé dans des plateaux métalliques. Ce récipient est ensuite positionné dans un rack d’éprouvette puis placé durant 20 heures dans une enceinte thermique où il y règne une température de 100°C et une pression de 2,1 MPa. Enfin, la pression est progressivement diminuée et les plateaux sont finalement introduits dans un four à 163°C pendant 30 minutes. Les propriétés courantes des bitumes sont alors mesurées [20].

Figure 2.7 Représentation du PAV [20]

Néanmoins, si les résultats de ces deux essais semblent intéressants et proches de la réalité sur terrain, la question de la caractérisation réelle du vieillissement des enrobés reste en suspens. En effet, lors de ces essais, l’ensemble des constituants des enrobés n’est pas pris en considération et pourrait dans une certaine mesure apporter des modifications aux résultats obtenus. C’est pourquoi, de nombreuses recherches ont été réalisées dont certaines toujours en cours pour normaliser un essai de vieillissement sur les enrobés.



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2.6. Le vieillissement des enrobés

Dans cette étude, le vieillissement accéléré des enrobés a été utilisé afin de produire des enrobés suffisamment vieux pour étudier leur comportement lorsqu’ils sont recyclés. Une recherche préalable des phénomènes en jeu et des essais disponibles a donc été nécessaire.

2.6.1. Caractéristiques d’un vieil enrobé et fissuration

Le vieillissement des bitumes provoque une perte de flexibilité des enrobés ce qui le rend plus rigide. De ce fait, le phénomène de fatigue dégradera l’enrobé en question.

La fissuration est un phénomène très préjudiciable pour les enrobés. Elle peut être d’origine thermique ou due à la fatigue. Des études ont montré que le pourcentage de vides et les températures minimales auxquelles sont soumis les enrobés étaient deux paramètres déterminants dans la fissuration. La nature et les caractéristiques des bitumes sont aussi prépondérantes. Enfin, notons qu’une faible teneur en granulats supérieurs à 5mm et une teneur en bitume et filler élevée sont deux paramètres qui améliorent la résistance à la fissuration [23].

Enfin, des tests ont été réalisés au Québec afin de déterminer l’intérêt de préfissurer transversalement la chaussée pour éviter de trop grandes dégradations. Il a été montré que les fissures apparaissent aussi bien dans les chaussées préfissurées que dans les chaussées témoins. De plus, de nombreux défauts voient le jour prématurément. Finalement, à la lumière de ces résultats, il est davantage conseillé de traiter les fissures transversales par colmatage et obturation [24].

2.6.2. Essais pour vieillir un enrobé

Enfin, une recherche bibliographique sur les essais de vieillissement des enrobés a été nécessaire pour tendre au plus près de la réalité. En outre, si les essais de vieillissement de bitume sont courants, ceux qui vieillissent les enrobés ne le sont pas. Néanmoins, quelques-unes se sont appuyées sur une recherche de grande ampleur menée par le SHRP (Strategic Highway Research Program) en 1994 [25]. Même si aujourd’hui, il n’existe aucun essai normalisé, la plupart des recherches qui ont succédé à ce rapport ont retenu la mise à l’étuve de l’enrobé à une température de 85°C pendant 120 heures, soit 5 jours [26]. Nous verrons par la suite le protocole suivi.

2.7. La formulation

La formulation d’enrobés, autant au Québec qu'en France, suit une série d’étapes bien définies. Ce sont ces étapes qui garantiront les caractéristiques attendues de l’enrobé. Au Québec, la méthode LC est celle qui est en vigueur. Elle est basée sur la représentation graphique de la granulométrie.



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2.7.1. La granulométrie

Tout d’abord, une analyse granulométrique est nécessaire. Pour cela, il faut passer les sources de granulats dans une série normalisée de tamis. Le pourcentage massique passant est ensuite porté sur un graphique en ordonnées tandis qu’en abscisses on trouve les tamis à la puissance 0,45 [27].

Figure 2.8 Exemple de courbe de masse volumique maximale [27]

Pour construire le graphique, il faut d’abord définir la dimension de grosseur nominale maximale et la dimension de grosseur maximale. La dimension de grosseur nominale maximale correspond à la dimension du plus petit tamis supérieur au premier tamis de la série normalisée qui compte une retenue supérieure à 10%.

La dimension de grosseur maximale correspond au tamis de rang supérieur au tamis de dimension de grosseur nominale maximale. Ainsi pour un ESG-14, la dimension de grosseur maximale est 20mm et pour un ESG-10, c’est 14mm [27].

Sur ce graphique, la courbe de masse volumique maximale se trace en reliant l’origine du repère avec la valeur 100% passant au tamis de dimension de grosseur maximale.

Enfin, pour chaque type d’enrobés, les normes donnent des points de contrôles, c’est-à-dire des zones dans lesquelles la courbe granulométrique doit passer. Elles fournissent en outre des zones de restrictions.

2.7.2. La formulation selon la méthode LC

La grande difficulté dans l’épreuve de formulation se situe dans le fait que l’amélioration d’un paramètre est très souvent préjudiciable pour un autre paramètre tout aussi important. Par exemple, une chaussée plus souple aura tendance à mieux résister face aux fissurations, mais subira davantage d’ornières [28].

La méthode LC comporte deux niveaux lors de la formulation. Le premier niveau consiste, une fois l’analyse granulométrique faite, à tester l’enrobé à la Presse à Cisaillement Giratoire



31

(PCG). Le second niveau compte des essais de résistance à l’orniérage. C’est seulement la validation de ces deux niveaux qui validera la formulation [28].

2.7.3. L’essai PCG

Les essais à la PCG nécessitent la réalisation d’une éprouvette cylindrique d’enrobé. Cette éprouvette sera inclinée de 1,25 degré et soumise à une vitesse de giration de 30 tours par minute sous une pression de 600kPa. La hauteur de l’éprouvette est mesurée à chaque giration donnant ainsi une évolution du pourcentage de vides en fonction des girations. Cet essai est validé s’il respecte trois critères [28] :

Un pourcentage de vide supérieur ou égal à 11% après 10 girations pour un ESG-14 et un ESG-10.

Un pourcentage de vide compris entre 4 et 7% après 100 girations pour un ESG-14 et 80 girations pour un ESG-10.

Un pourcentage de vide supérieur ou égal à 11% après 200 girations pour un ESG-14 et un ESG-10.

On peut synthétiser cet essai à l’aide de l’organigramme suivant :

Étape 6

Étape 5

Étape 4

Étape 3

Étape 2

Étape 1

Formulation niveau 1 Formualtion à la PCG

Essai densité maximale

Calcul du pourcentage de bitume

Réalisation d'un enrobé

Introduction d'une certaine quantité dans l'éprouvette

Compactage à la PCG à la température Tc

Vérification des pourcentages de vides aux girations caractéristiques



32

Figure 2.9 Presse à Cisaillement Giratoire du LUCREB

2.8. L’essai de résistance à l’orniérage

Cet essai correspond au second niveau de formulation d’enrobés. Ce niveau est approprié dans le cas de chaussées fortement sollicitées. Il permet de vérifier la capacité des enrobés vis-à-vis des déformations de type orniérage et fluage. C’est pourquoi cet essai reproduit les conditions de passage d’un pneumatique similaire à celui d’un véhicule lourd [29].

Lors de cet essai, des éprouvettes sont réalisées puis soumises à un passage de 1000 cycles à la température ambiante du laboratoire. Ensuite, les éprouvettes sont chauffées à 60°C et l’essai démarre à la vitesse d’un cycle par seconde. Notons que le pneu possède une pression de gonflage de 600kPa et que la charge roulante appliquée est de 5000N. En outre, la profondeur d’ornière est mesurée tous les 30, 100, 300, 1000, 3000, 10000 et 30000 cycles. Finalement, l’évolution des ornières est représentée dans un graphique où l’on porte en abscisses à l’échelle logarithme, le nombre de cycles et en ordonnées la profondeur d’ornière en pourcentage [27].



33

Figure 2.10 Ornièreur du LUCREB

2.9. Les différences France/Québec

Au Québec, comme nous l’avons vu précédemment, il y a 2 niveaux de formulation : la maniabilité à la Presse à Cisaillement Giratoire et l’essai de résistance à l’orniérage. Néanmoins, lorsqu’un mélange est nouvellement formulé, d’autres essais leur succèdent.

À titre de comparaison, en France, il existe 4 niveaux de formulation comme sur le schéma suivant [29] :

Figure 2.11 Les niveaux de la formulation [29]

L’épreuve de formulation apparaît donc en théorie plus longue et complexe en France par rapport à la formulation réalisée au Québec.



34

2.10. L’essai de retrait thermique empêché

Il permet d’étudier le comportement d’un enrobé en fonction de la température. Des éprouvettes cylindriques (60mm de diamètre et 250mm de haut) d’enrobé sont carottées dans une plaque réalisée en laboratoire et compactée pour atteindre 5% de vides. Les extrémités de l’éprouvette sont maintenues par des plateaux métalliques et l’éprouvette est alors bloquée de tout déplacement avant de voir la température dans la chambre diminuer. L’appareil ramène l’éprouvette dans son état initial pour chaque déplacement supérieur à 0,25µm. C’est donc la force nécessaire pour empêcher l’éprouvette de se contracter qui est mesurée [32] [33].

Les résultats de l’essai de retrait thermique empêché donnent une courbe du type :

Figure 2.12 Courbe type de l'essai TSRST [32]

Cet essai permet de déterminer la contrainte maximale de rupture, la température de fissuration, la température de transition vitreuse ainsi que deux pentes.

La pente de relaxation indique la capacité que possède l’enrobé à relaxer les contraintes présentes. Plus cette pente est faible et plus l’enrobé est considéré comme visqueux. La fin de la période de relaxation est marquée par la température de transition vitreuse. Cette température représente aussi le début du comportement linéaire. En outre, à une température donnée, il est possible de comparer plusieurs mélanges par les contraintes induites à cette température. C’est-à-dire que si l’on obtient une contrainte moins élevée dans un mélange, celui-ci aura certainement une meilleure capacité à résister sous le même chargement.

Enfin, il est possible de discuter à propos de la seconde pente. En effet, pour une température de fissuration et une contrainte donnée, plus cette pente est élevée, meilleure sera la réponse de l’enrobé à une contrainte fixée dans cette intervalle de température [33].

Pente de relaxation



35

2.11. L’essai de caractérisation de module complexe

Tout d’abord, d’un point de vue théorique, rappelons qu’un enrobé et un matériau viscoélastique. Selon le type de mélange, un enrobé peut être caractérisé par un comportement davantage élastique ou visqueux. En outre, notons qu’un enrobé visqueux sera déconseillé dans le cas d’une construction de stationnement pour bus par exemple. En effet, un tel enrobé subira l’action du poids du bus mais le temps d’application de cette charge est une donnée prépondérante. Le tassement dont fera l’objet l’enrobé pourra subsister si le temps d’application dépasse une certaine valeur.

Afin de réaliser cet essai, des éprouvettes cylindriques (75mm de diamètre et 120mm de haut) sont carottées dans une plaque comme pour l’essai de retrait thermique empêché.

De plus, cet essai est réalisé en compression uniaxiale, impliquant un champ de contrainte homogène. On remarque qu’en France, les éprouvettes sont trapézoïdales et le chargement suit une sinusoïde, ce qui est plus proche du comportement réel d’une chaussée. Malgré cette remarque, on pourra tout de même relever le fait que la roue d’un véhicule empruntant une chaussée provoque la création d’une sorte de « vague » de déformations dans l’enrobé. Cette « vague » implique un comportement sinusoïdal des contraintes se décomposant par une compression suivant d’une tension puis finalement par une compression.

Figure 2.13 Sollicitations lors du passage d'un véhicule en traction compression [33]

La réponse relevée au cours de cet essai est une réponse sinusoïdale déphasée d’un angle compris entre 0 et 90°C. Cet angle constitue une indication du comportement visqueux ou élastique du matériau testé, 0°C étant un matériau parfaitement élastique et 90°C parfaitement visqueux.

Une charge est alors appliquée dans le domaine des petites déformations. Le temps, la fréquence, la température et la loi de chargement sont des paramètres constamment contrôlés. En effet, l’essai au sein du laboratoire démarre à -35°C pour se terminer à +35°C, la fréquence varie de 20Hz à 0,01Hz.

De plus, il est intéressant qu’en compression, c’est le bitume qui a le plus d’influence dans la résistance d’un enrobé pour des basses températures alors que pour des températures plus



36

élevées, c’est le squelette granulaire qui joue ce rôle. Enfin, le rôle du bitume est prépondérant en tension.

Les résultats de cet essai peuvent être tout d’abord représentés dans le plan de Cole et Cole. Il s’agit d’un plan dans lequel la partie imaginaire du module est représentée en fonction de la partie réelle [33].

Figure 2.14 Exemple de représentation du module complexe dans le plan de Cole et Cole [33]

En effet, on se rend compte à l’aide de cette figure que chaque point est en fait un vecteur d’angle φ et de norme ІE*І. Ce graphique se révèle très utile lors de la comparaison de deux mélanges. Il permet de déterminer l’enrobé le plus visqueux.

De plus le plan de Black permet aussi de déterminer le comportement visqueux ou élastique d’enrobés testés. Il s’agit d’un plan où l’angle de déphasage est représenté en fonction de la norme du module complexe dans une échelle logarithmique. Si la courbe d’un enrobé est supérieure à celle d’un autre mélange alors il sera plus visqueux.



37

Figure 2.15 Exemple de représentation du module complexe dans l’espace de Black [33]



38

3. FORMULATION, PROCÉDURES ET ESSAIS DES TROIS ENROBÉS TESTÉS

3.1. Matériaux et matériels

Pour réaliser cette étude, la confection d’éprouvettes d’enrobés semi-grenus ESG-10 a été retenu car s’agit de l’enrobé le plus utilisé dans la région de Montréal en couche de surface.

Au niveau des matériaux utilisés au cours du projet, le laboratoire dispose de nombreuses classes de granulats. Ceux qui m’ont réellement servi lors de la formulation sont cités ci-dessous :

Granulats 0-5

Granulats 5-10

Filler

Leur granulométrie est représentée sur le tableau suivant :

Tableau 3.1 Granulométrie des matériaux utilisés

Au niveau des liants, des sociétés offrent régulièrement du bitume au laboratoire LUCREB. C’est pour cela que le laboratoire possède la plupart des bitumes fréquemment employés dans la région. Pour ma part, j’ai seulement eu affaire à des bitumes issus de la société McAsphalt. J’ai principalement travaillé avec des bitumes de PG 70-28 et 58-28. Néanmoins, l’ensemble de mes éprouvettes doit être réalisé avec le même bitume, c’est donc pour des raisons de disponibilités que j’ai utilisé du bitume PG 58-28.

De plus, ce projet ayant pour but d’étudier l’influence de l’additif Sasobit® dans le recyclage d’enrobés, nous utiliserons cette cire synthétique sous forme de billes.

Le laboratoire possède un grand nombre d’équipements. Citons ceux nécessaires à la confection d’enrobés et à l’extraction d’éprouvettes :

4 postes de malaxage

4 étuves

2 appareils de PCG

Compacteur LCPC

Scie à diamants

Carotteuse

Tamis [mm] 14 10 5 2,5 1,25 0,630 0,315 0,160 0,080

0-5 100 100 94 63 42 29 20 14 10

5-10 100 94 9 3 2 2 1 1 1

filler 100 100 100 100 100 100 100 100 81

GRANULOMETRIE [%]



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Fraiseuse

De plus, pour les tests de bitumes, sont disponibles les matériels pour les essais :

BBR

DSR

RTFOT

PAV

Viscosimètre de Brookfield

Pénétrabilité

Température Bille-Anneau

Enfin pour les essais de retrait thermique empêché et de module complexe, le laboratoire dispose de deux machines permettant chacune de réaliser ces essais.

3.2. La granulométrie

Pour notre culture personnelle, nous avons décidé de réaliser nous-mêmes l’analyse granulométrique. Ce travail nous a offert un aperçu du travail à réaliser en laboratoire lors de la confection d’enrobés et ceci du début à la fin. Nous avons ainsi pu nous familiariser avec la réduction des échantillons en vue d’essais en laboratoire. En effet, lorsqu’un essai nécessite 1kg d’enrobé, il faut que chaque prise de matériaux soit représentative. Pour ce faire, une norme existe : LC 26-010 [30].

Néanmoins, le fournisseur a donné la granulométrie de chacun des types de granulats et nous avons préféré utiliser ses valeurs qui restaient proches des nôtres.

3.2.1. Première campagne d’essais

Lors de mon projet, j’ai commencé la formulation d’un ESG-10 avec du bitume d’un PG 70-28. Après une longue série d’essais à la PCG qui ne répondait pas aux exigences, j’ai finalement réussi l’étape de formulation. Pour ce faire, j’ai dû introduire des granulats 0-2,5 dont nous avions des quantités très limitées, mais nous espérions pouvoir en commander dans une carrière. Les pourcentages massiques sont donnés dans le tableau suivant :

Tableau 3.2 Ensemble des mélanges testés à la PCG avec un bitume PG 70-28

0-5 5-10 0-2,5 filler24 42 32 2

40 44 14 2

62 36 0 2

64 36 0 0

58 40 0 2

formulation réussie

Test 1

Test 2

Test 3

Test 4

ESG-10Identification



40

Enfin, voici l’ensemble des courbes de formulation testées et celle qui a passé avec succès l’essai PCG :

Figure 3.1 Ensemble des mélanges testés à la PCG avec un bitume PG 70-28

Sur ce graphique, on peut en outre remarquer qu’un mélange était très proche d’une formulation existante, mais qui néanmoins n’a pas passé avec succès l’essai PCG. Tous les mélanges testés possédaient trop de vides c’est pourquoi nous avons décidé d’introduire une nouvelle classe granulaire : le 0-2,5.

En parallèle, j’ai été amené à tester le bitume avec et sans Sasobit® au viscosimètre de Brookfield. Ce travail était nécessaire pour déterminer les températures de malaxage et de compactage de l’enrobé contenant l’additif Sasobit®. Je me suis alors aperçu que le bitume avait une viscosité beaucoup trop élevée. Pour le bitume vierge, j’ai trouvé une température de malaxage de 183°C alors que les normes donnent une température de 168°C. De plus, pour le compactage les résultats donnent 167°C au lieu de 160°C. Nous sommes donc arrivés à la conclusion que le bitume devait être altéré. D’après les techniciens et mon tuteur, il s’agit d’un phénomène courant lorsque la phase de séparation des barils de bitume dans des récipients plus petits est trop longue. En effet, le chauffage altère le bitume et dégrade ses propriétés physiques.

À ce moment, nous avons décidé d’arrêter le travail sur ce mélange et donc de mettre de côté la plaque témoin confectionnée en vue des essais de retrait thermique empêché et de module complexe.

Ensuite, nous avons dû aller en carrière échantillonner des granulats qui commençaient à manquer dans le laboratoire. Nous avons appris que les granulats 0-2,5 sont seulement disponibles durant l’été, nous avons décidé d’échantillonner des granulats 0-5 et de



41

recommencer la phase de formulation. Enfin, nous nous sommes fait livrer du bitume pour recommencer l’épreuve de formulation avec des matériaux différents, mais que nous aurions en quantités suffisantes pour l’ensemble du projet. Pour s’assurer de la bonne qualité du bitume, la viscosité du bitume PG 58-28 a été déterminée à 135°C et 165°C à l’aide du viscosimètre de Brookfield.

3.2.1. Seconde campagne d’essais

Lors de la seconde campagne d’essais, avec les nouveaux matériaux, j’ai décidé de tester 4 mélanges à la presse à cisaillement giratoire dont les pourcentages massiques sont les suivants :

Tableau 3.3 Ensemble des mélanges testés à la PCG avec un bitume PG 58-28

La norme LC 21-040 [30] donne les zones de restrictions et points de contrôles que la courbe granulométrique devra respecter. Les courbes granulométriques, avec en abscisses les dimensions des tamis élevées à la puissance 0,45 et en ordonnées les pourcentages passants, est donc de la forme suivante :

0-5 5-10 filler61 36 3

58 39 3

55 42 3

52 45 3

Test 2

Test 3

ESG-10Identification

formulation réussie

Test 1



42

Figure 3.2 Ensemble des mélanges testés à la PCG avec un bitume PG 58-28

Nous avons choisi 4 mélanges qui couvrent un large fuseau afin d’avoir le maximum de chances de trouver un mélange qui respecte les pourcentages de vides attendus lors de l’essai PCG.

Nous avions comme point de départ une formulation existante, mais il s’agissait d’une granulométrie reconstituée.

3.3. La formulation de la phase 1

La phase 1 représente la formulation des enrobés témoin et de celui qui contient 1,8% de

Sasobit®. Cette phase comprend notamment le vieillissement des ces enrobés en vue de la

phase 2.

3.3.1. L’enrobé témoin : ESG-10 à chaud

Afin de formuler notre enrobé, nous avons dû déterminer la densité maximale à l’aide de

l’essai détaillé dans la norme LC 26-045 [30]. Nous avons utilisé la méthode volumétrique.

Cet essai consiste à réaliser un enrobé en laboratoire selon la norme NQ 2300-900 [31]. Les

calculs permettent d’avoir une estimation du pourcentage de bitume à introduire pour le

malaxage nécessaire pour déterminer la densité maximale. Cet essai permet d’affiner le

pourcentage de bitume de notre mélange en vue de l’essai PCG.



43

Les normes donnent des températures de chauffe des différents matériaux ainsi que les

températures de malaxage et compactage qui sont résumées dans le tableau suivant :

Tableau 3.4 Températures à respecter lors de la réalisation de l’enrobé témoin de la phase 1

Pour cette seconde campagne d’essai à la presse à cisaillement giratoire, les 4 mélanges ont donné ces résultats :

Figure 3.3 Ensemble des résultats à la PCG des mélanges avec du bitume PG 58-28

On remarque que les 2 premiers mélanges sont positifs et les 2 derniers échouent de peu. En effet, ils possèdent trop peu de vides. Néanmoins, le mélange 1 reste le meilleur en tenant compte des points de contrôle donnés par les normes.

Type [°C]

Granulats 165

Bol de malaxage 165

Bitume PG 58-28 150

Malaxage 150

Compactage 135

TEMPERATURES



44

Voici donc pour le mélange utilisé en phase 1 les pourcentages massiques des granulats puis le pourcentage massique du bitume (pourcentage massique de la masse totale des granulats) :

Tableau 3.5 Pourcentages massiques des constituants de l'ESG-10 phase 1

3.3.2. L’enrobé ESG-10 contenant 1,8% de Sasobit®

L’utilisation de l’additif Sasobit® aura pour conséquence de modifier la viscosité du bitume. Or, la viscosité du bitume est directement liée aux températures de malaxage et de compactage, c’est pourquoi il faudra passer par un essai utilisant un viscosimètre de type Brookfield décrit plus tôt dans ce rapport. Pour les besoins du projet, j’ai réalisé donc cet essai pour le bitume vierge et après introduction de 1,8% de Sasobit®. Pour un bitume PG 58-28, les viscosités peuvent être représentées dans un graphique selon la température :

Figure 3.4 Viscosités d'un bitume PG 58-28 en fonction de la température

Ainsi, on connait les températures de malaxage et de compactage selon les pourcentages de Sasobit® utiles à ce projet :

Identification 0-5 5-10 filler bitume

% massique 61 36 3 5,44

MÉLANGE ESG-10 PHASE 1



45

Tableau 3.6 Températures d'emploi d'un bitume PG 58-28 selon le viscosimètre de Brookfield

En analysant ces résultats, nous nous apercevons tout d’abord que les températures de malaxage et de compactage du bitume vierge sont cohérentes avec les normes puisque celle-ci donne 150°C et 135°C.

En outre, les températures de malaxage et de compactage d’enrobés contenant 1,8% de Sasobit® données par le viscosimètre de Brookfield ont peu de sens d’un point de vue pratique. En effet, la baisse des températures est très faible. J’ai recommencé cet essai pensant qu’il s’agissait d’une erreur mais j’ai obtenu les mêmes valeurs. Certaines recherches ont pu montrer que cet additif ne modifiait pas de manière importante la viscosité du bitume. En contrepartie, la présence de celui-ci dans l’enrobé permet l’abaissement des températures. En accord avec mon tuteur, j’ai décidé de baisser les températures de 15°C et de tester à la PCG le mélange avec ces nouvelles températures1 :

Tableau 3.7 Températures choisie lors de d’emploi d’un bitume PG 58-28

Avec les nouvelles températures, les résultats de l’essai à la PCG respectent les normes ce qui permet de valider ces nouvelles températures. De plus, les résultats sont suffisamment satisfaisants pour utiliser ces températures. Voici les résultats sous forme de graphique :

1 Dans le cas de production industrielle, il semblerait que ce soit la procédure adoptée. C’est-à-dire de tester à

la PCG le mélange contenant l’additif Sasobit pour des températures de plus en plus faibles jusqu’à obtenir une valeur optimale.

malaxage compactage

[%] [°C] [°C]

0 148 136

1,80 145 133

SasobitTempératures

malaxage compactage

[%] [°C] [°C]

0 150 135

1,80 135 120

SasobitTempératures



46

Figure 3.5 Résultat de l'essai à la PCG du mélange contenant 1,8% de Sasobit®

En vue des essais de retrait empêché et de module complexe, une plaque est donc confectionnée en respectant ces températures.

3.4. La formulation de la phase 2

La phase 2 de ce projet comprend l’utilisation de GBR dans la confection d’un type d’enrobé :

Enrobé tiède, avec 25% de GBR d’un enrobé tiède contenant 1,8% de Sasobit®

Étant donné l’introduction de GBR, même s’il s’agit du même mélange, une validation à la presse à cisaillement giratoire est nécessaire.

Le GBR possède la granulométrie du mélange de la phase 1 c’est pourquoi nous testerons le même mélange contenant 25% de GBR. Un rapide calcul donne les pourcentages suivants garantissant la même courbe granulométrique :

Tableau 3.8 Pourcentages massiques des constituants de l'ESG-10 phase 2

De plus, les calculs expliqués dans la norme donnent un pourcentage massique de bitume d’ajout de 4,08% car, en théorie, le GBR contient 5,44% de bitume.

D’un point de vue pratique, les températures de malaxage et de compactage sont :

Identification 0-5 5-10 filler RAP bitume

% massique 46 27 2 25 4,08

MÉLANGE ESG-10 PHASE 2



47

Tableau 3.9 Températures à respecter lors de la réalisation de l'enrobé de la phase 2

On note que le GBR est chauffé à 100°C avant son introduction en vue du malaxage.

Voici donc le résultat de l’essai PCG :

Figure 3.6 Courbe de pourcentage de vide de l'ESG-10 avec 25% de GBR contenant 1,8% de Sasobit®

Si l’on compare les pourcentages de vides des deux mélanges réalisés en phase 1, on s’aperçoit que les résultats sont très proches.

Type [°C]

Granulats 165

Bol de malaxage 165

GBR 100

Bitume PG 58-28 150

Malaxage 150

Compactage 135

TEMPERATURES



48

Tableau 3.10 Comparaison des pourcentages de vides de contrôle des 3 mélanges

Ces similitudes s’expliquent principalement du fait que la formulation est la même pour les trois mélanges testés à la PCG.

3.5. Essais et procédures des deux phases

3.5.1. Procédure de malaxage des enrobés en laboratoire

Le laboratoire est très bien équipé, nous avions donc le matériel nécessaire pour la réalisation d’enrobés. La procédure suivie est représentée sur l’organigramme suivant :

Type 10 80 200

Témoin 14,0 5,2 2,4

1,8% Sasobit 14,7 5,7 2,8

25% GBR avec 1,8%

Sasobit14,6 5,7 2,8

ng

V%

Étape 7

Étape 6

Étape 5

Étape 4

Étape 3

Étape 2

Étape 1 Prise de la masse de granulats

Chauffage des granulats à l'étuve

Chauffage du bitume à l'étuve

Introduction du bitume chaud dans les granulats

chauds

Malaxage 45s à la vitesse 1

Déségrégation des granulats "à la main"

Malaxage 30s à la vitesse 2



49

Cette procédure est légèrement modifiée lorsque l’enrobé contient l’additif Sasobit®.

3.5.2. Procédure d’introduction du Sasobit® dans le bitume

L’introduction de Sasobit® se fait avant le malaxage, et la procédure suivie est la suivante [12] :

Placer le bitume à l’étuve à sa température de malaxage c'est-à-dire 150°C pour le PG 58-28.

Préparer une plaque chauffante à cette même température sous un mixeur adapté

Peser avec précision le bitume.

Mettre en marche le mixeur et verser la bonne quantité de Sasobit® dans le vortex ainsi créé.

Ne pas mixer plus d’une minute.

Placer à nouveau le bitume modifié à l’étuve pendant 5 minutes.

Mélanger encore 1 minute.

3.5.3. Procédure de compactage de plaque

Lors de ce projet, la confection de plaque est nécessaire afin de produire des éprouvettes en vue d’essais au module complexe et de retrait thermique empêché.

Il s’agit de la même procédure de malaxage à la seule différence que les matériaux et les équipements sont de dimensions plus importantes. Lorsque l’enrobé est réalisé, il vient la phase de compactage. Pour ce faire, il faut introduire la quantité exacte d’enrobés dans un moule afin d’obtenir un enrobé présentant 5% de vides. Les dimensions finales ainsi que la densité maximale de l’enrobé sont des facteurs à connaître avant la confection de la plaque.

Sur la figure suivante, le compacteur LCPC appartenant au LUCREB :

Figure 3.7 Compacteur LCPC du LUCREB



50

Pour les besoins de ce projet, ce sont des plaques de 500mm de long, 180mm de large et 125mm de haut qui ont été réalisées. Voici un exemple de plaque après compactage :

Figure 3.8 Exemple de plaque réalisée au compacteur LCPC

3.5.4. Procédure de carottage des éprouvettes

Après le compactage, il faut attendre quelques jours que l’enrobé soit suffisamment résistant pour subir les opérations nécessaires à la confection d’éprouvettes.

Une plaque possédant les dimensions que nous avons vues précédemment permet de garantir 2 éprouvettes pour le module complexe carottées transversalement et 2 autres pour le retrait thermique empêché carottées transversalement.

Du fait des « effets de bords » dus au moule lors du compactage, il faudra chercher à carotter les éprouvettes le plus loin possible des extrémités de la plaque. On s’assure d’avoir 40mm au niveau longitudinal et 25mm au niveau transversal.



51

Figure 3.9 Effets de bord d'une plaque à exclure lors du carottage

Figure 3.10 Equipements nécessaires au carottage



52

À la fin du carottage, nous obtenons donc deux types d’éprouvettes comme l’on peut le voir sur la figure suivante :

Figure 3.11 Exemple d'éprouvettes obtenues

Enfin, notons le côté visuel des « effets de bord » qui se manifeste par la présence de vide importants :

Figure 3.12 Exemple d’effets de bord d’une éprouvette

Cet effet de bord doit absolument être pris en compte lors de la confection des éprouvettes. En effet, lorsqu’elles seront testées, il ne faut pas que ces hétérogénéités viennent interférer dans les résultats obtenus.



53

3.5.5. Procédure de vieillissement des enrobés

Comme nous l’avons vu précédemment, il n’existe pas de procédure normalisée, mais nous avons décidé de reprendre la procédure suivie par le SHRP lors des recherches menées en 1994. Cette procédure comprend notamment un vieillissement de court terme STOA (Short Term Oven Aging) et de long terme LTOA (Long Term Oven Aging) [25] :

Nous avons décidé de faire vieillir l’enrobé sans le compacter pour nous assurer d’avoir un vieillissement homogène. En effet, dans le cas d’enrobés compactés, les parties proches des bords subiront davantage le vieillissement que la partie centrale. Or, la procédure donne des évaluations de vieillissement en fonction des zones géographiques. De ce fait, il est impossible de caractériser ce vieillissement en termes d’années, néanmoins, d’après les études réalisées, l’hypothèse d’un vieillissement supérieur à 10 ans est très probable. Enfin, des essais seront conduits sur le bitume extrait afin de vérifier l’apparition du vieillissement.

3.5.6. Extraction du bitume contenu dans l’enrobé vieilli

Pour caractériser le vieillissement forcé que l’enrobé a subi, nous allons tester le bitume de cet enrobé. Pour ce faire, il est nécessaire d’extraire le bitume de l’enrobé.

Cette extraction suit la norme LC 25-001 « Récupération du bitume en solution par évaporation rotative ». Voici un résumé des étapes à réaliser :

Étape 5

Étape 4

Étape 3

Étape 2

Étape 1 Réalisation enrobé

Laisser reposer 2h (t° ambiante)

STOA: 4h à 135°C

Laisser reposer 12h (t° ambiante)

LTOA: 120h à 85°C



54

Sur la figure suivante, le dispositif d’extraction du trycholoroéthylène afin d’obtenir le bitume pur de l’enrobé vieilli :

Figure 3.13 Appareil d'extraction du trychloroéthylène de la solution contenant le bitume de l’enrobé vieilli

Étape 5

Étape 4

Étape 3

Étape 2

Étape 1 Extraction du bitume

Agiter l'enrobé mélangé au trychloroéthylène

Filtrer la solution obtenue

Centrifuger la solution

Évaporer le trychloroéthylène



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3.6. Résultats des tests conduits sur le bitume vieilli

Le vieillissement dont l’enrobé contenant 1,8% de Sasobit® a fait l’objet est très difficile à mettre en parallèle avec un nombre d’années de service d’une chaussée. Néanmoins, des essais sur le bitume extrait pourront être conduits afin de comparer les résultats avec ceux du bitume vierge de tout additif et n’ayant subi aucun vieillissement.

3.6.1. Essais de Performance Grade du bitume vieilli

Les essais BBR et DSR réalisés sur le bitume vieilli donnent les températures hautes et basses suivantes :

Figure 3.14 Évolution du PG du bitume étudié

La température basse n’est que très peu modifiée, elle est passée de -29,6°C à -28,9°C. Cette modification peut être imputée à la présence de Sasobit® qui a tendance à légèrement augmenter la température basse du PG. En outre, la température haute a subi une hausse de 18% augmentant d’un grade le PG du bitume d’origine. En tenant compte de ces résultats, le bitume issu du vieillissement a été transformé en un PG 70-28.

3.6.2. Essais de viscosité et de pénétration du bitume vieilli

Tout d’abord, la viscosité à 135°C et à 165°C a été mesurée à l’aide du viscosimètre de Brookfield sur le bitume vierge et sur le bitume vieilli. Les résultats sont les suivants :



56

Figure 3.15 Comparaison des viscosités d'un bitume PG 58-28

On peut voir sur ces graphiques une forte augmentation de la viscosité du bitume vieilli par rapport au bitume vierge. En effet, à 135°C, la viscosité est de 0,58 Pa.s pour le bitume vieilli contre 0,30 Pa.s pour le bitume vierge, soit une hausse de 98%. De même, à 165°C, la viscosité est de 0,14 Pa.s pour le bitume vieilli contre 0,09 Pa.s pour le bitume vierge, soit une hausse de 60%. Cette hausse de la viscosité prouve bien que le bitume a subi un vieillissement notoire.

Un essai de pénétrabilité peut être conduit afin de confirmer le durcissement de ce bitume vieilli. Sur le graphique suivant, les mesures réalisées en laboratoire :



57

Figure 3.16 Évolution de la pénétrabilité du bitume étudié

On peut voir que le bitume d’origine possède une pénétrabilité de 93,3 dixièmes de millimètre tandis que le bitume vieilli a durci pour attendre une valeur de 29,8. Il s’agit d’une baisse de 68%.

Les deux essais de viscosités et de pénétrabilité confirment que le bitume a effectivement subi un vieillissement forcé lors de la procédure choisie sur l’enrobé réalisé précédemment.



58

4. INFLUENCE DU SASOBIT® DANS LES GBR : ESSAIS TSRST ET DE MODULE COMPLEXE

Les trois enrobés formulés au cours de ce projet seront testés à l’aide de l’essai de retrait thermique empêché. De plus, l’enrobé témoin et celui composé de 25% de GBR contenant 1,8% de Sasobit® subiront un essai de module complexe. Ces deux essais sont longs puisque respectivement 8 heures et 3 jours ce qui a limité le nombre de tests à un par mélange. Les résultats qui suivront seront donc à analyser avec précautions.

4.1. Résultats de l’essai TSRST sur les trois enrobés étudiés

4.1.1. Résultats pour l’ESG-10 témoin

Tout d’abord penchons-nous sur l’enrobé témoin. Voici le graphique que l’on obtient en traçant la contrainte en fonction de la température :

Figure 4.1 Essai TSRST de l'ESG-10 témoin

Sur ce graphique, les deux parties linéaires de la courbe sont mises en évidence. On pourra donc relever les valeurs importantes de cet essai dans le tableau suivant :



59

Tableau 4.1 Récapitulatif de l'essai TSRST de l'ESG-10 témoin

On y lit notamment que la transition vitreuse à lieu à -25,7°C et la fissuration à -33,5°C. À cette température, les contraintes induisent représentent 4,49 MPa. Enfin, la pente de relaxation est de -11,2 kPa/°C alors que la pente avant fissuration est de -279,0 kPa/°C.

4.1.2. Résultats pour l’ESG-10 contenant 1,8% de Sasobit®

L’essai de retrait thermique empêché sur l’ESG-10 contenant 1,8% de Sasobit® permet d’obtenir la courbe suivante :

Figure 4.2 Essai TSRST de l'ESG-10 contenant 1,8% de Sasobit®

On retrouve sur ce graphique les deux parties linéaires de la courbe. Les valeurs importantes de cet essai sont récapitulées dans le tableau suivant :

ESG-10 témoin U

Température de transition vitreuse Tg -25,7 [°C]

Température de fissuration -33,5 [°C]

Pente de relaxation -11,2 [kPa/°C]

Contrainte maximale σmax 4 493 [kPa]

pente 2 -279,0 [°C]



60

Tableau 4.2 Récapitulatif de l'essai TSRST de l'ESG-10 contenant 1,8% de Sasobit®

Cet essai montre que la transition vitreuse à lieu à -24,7°C et la fissuration à -32,5°C. À cette température, les contraintes appliquées sur l’éprouvette correspondent à 4,31 MPa. Enfin, la pente de relaxation est de -17,7 kPa/°C alors que la pente avant fissuration est de -257,4 kPa/°C.

4.1.3. Résultats pour l’ESG-10 composé de 25% de GBR contenant 1,8% de Sasobit®

L’essai de retrait thermique empêché sur l’ESG-10 contenant 1,8% de Sasobit® permet d’obtenir la courbe suivante :

Figure 4.3 Essai TSRST de l'ESG-10 composé de 25% de GBR contenant 1,8% de Sasobit®

De même que précédemment, on observe sur ce graphique les deux parties linéaires de la courbe. Les valeurs importantes de cet essai sont récapitulées dans le tableau suivant :





pente 2 -257,4 [°C]

ESG-10

contenant 1,8%

Sasobit

U



61

Tableau 4.3 Récapitulatif de l'essai TSRST de l'ESG-10 composé de 25% de GBR contenant 1,8% de Sasobit®

Cet essai montre que la transition vitreuse à lieu à -17,5°C et la fissuration à -28,7°C. À cette température, les contraintes appliquées sur l’éprouvette correspondent à 4,31 MPa. Enfin, la pente de relaxation est de -23,7 kPa/°C alors que la pente avant fissuration est de -174,0 kPa/°C.

4.1.4. Comparaison des trois mélanges

Afin de comparer les trois enrobés réalisés, les courbes obtenues à l’aide de l’essai TSRST peuvent être regroupées sur un même graphique :

Figure 4.4 Comparaison des trois mélanges étudiés par l'essai TSRST

On peut remarquer que l’enrobé témoin et celui contenant 1,8% de Sasobit® ont des courbes très proches l’une de l’autre. C’est un résultat auquel on aurait pu s’attendre car l’additif Sasobit® n’est pas supposé modifier les propriétés physiques de l’enrobé. Néanmoins, comme nous l’avons vu précédemment, cet additif a tendance à augmenter la





pente 2 -174,0 [°C]

ESG-10 avec 25%

GBR contenant

1,8% Sasobit

U



62

température basse du PG du bitume. Le fait d’obtenir une fissuration à -33,5°C pour le témoin contre 32,5°C pour celui qui contient le Sasobit® nous conforte dans ce sens.

De plus, l’allure de la courbe de l’enrobé composé de 25% de GBR contenant 1,8% de Sasobit® est relativement différente de celle des deux autres enrobés. En effet, la pente de relaxation est plus élevée, de même que les contraintes pour toutes les températures étudiées.

Les résultats essentiels peuvent être synthétisés sous forme de tableau :

Tableau 4.4 Récapitulatif de l'essai TSRST des trois mélanges étudiés

Enfin, pour conclure cette comparaison, rendue possible par l’essai TSRST, il est possible d’émettre l’hypothèse selon laquelle un enrobé composé de 25% de GBR contenant 1,8% de Sasobit® serait capable de reprendre des contraintes moins élevées que des enrobés chauds ou tièdes contenant 1,8% de Sasobit®. Le durcissement du bitume provoqué par son vieillissement pourrait en être une cause plausible. Malgré cela, les différences sont peu importantes et cet enrobé pourrait tout de même voir sont utilisation intéressante.

4.2. Résultats de l’essai de module complexe

L’essai de module complexe a pu être conduit sur l’enrobé témoin et sur l’enrobé réalisé avec 25% de GBR contenant 1,8% de Sasobit®. Rappelons que pour des raisons de disponibilités de la machine d’essai et du fait de la durée de cet essai, les deux enrobés ont été testés à l’aide d’une unique éprouvette. Les résultats sont donc à relativiser et des essais complémentaires sur les éprouvettes restantes seront réalisés par le laboratoire à la suite de cette étude.

4.2.1. Résultat pour l’ESG-10 témoin

Pour l’enrobé ESG-10 témoin, les résultats dans le plan de Cole et Cole sont représentés dans la figure suivante :

Témoin 1,8% Sasobit25% RAP 1,8%

SasobitU

Température de transition vitreuse Tg -25,7 -24,7 -17,5 [°C]

Température de fissuration -33,5 -32,5 -28,7 [°C]

Pente de relaxation -11,2 -17,7 -23,7 [kPa/°C]

Contrainte maximale σmax 4 493 4 305 3 968 [kPa]

pente 2 -279,0 -257,4 -174,0 [°C]



63

Figure 4.5 Plan de Cole et Cole de l'ESG-10 témoin

On peut notamment lire la valeur de la partie réelle et imaginaire en fonction de la température. Ainsi, on remarquera que les températures hautes donnent des valeurs proches de l’origine tandis que les températures faibles se situent à l’autre extrémité du graphique.

De plus, l’espace de Black offre une autre perspective :

Figure 4.6 Espace de Black de l'ESG-10 témoin

Ce graphique permet de rapidement repérer l’angle de phase maximal d’un enrobé. Dans le cas de l’enrobé témoin, il s’agit de 54,8°.



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4.2.2. Résultats pour l’ESG-10 composé de 25% de GBR contenant 1,8% de Sasobit®

De même pour l’ESG-10 composé de 25% de GBR contenant 1,8% de Sasobit®, on obtient les résultats représentés dans le plan de Cole et Cole de la figure suivante :

Figure 4.7 Plan de Cole et Cole de l'ESG-10 composé de 25% de GBR contenant 1,8% de Sasobit®

Enfin, dans l’espace de Black, les résultats donnent une courbe de la forme suivante :

Figure 4.8 Espace de Black de l'ESG-10 composé de 25% de GBR contenant 1,8% de Sasobit®

On peut facilement lire la valeur maximale de l’angle de phase, c’est-à-dire ici 47,4°.



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Néanmoins, les résultats semblent cohérents, nous verrons par la suite une comparaison entre les deux mélanges.

4.2.3. Comparaison des deux mélanges

Pour comparer ces deux mélanges, les courbes seront superposées dans le plan Cole et Cole :

Figure 4.9 Comparaison des deux mélanges dans le plan de Cole et Cole

On peut donc remarquer que les deux courbes sont similaires. On note tout de même un meilleur comportement de l’enrobé témoin mais ceci est très minime.

Dans l’espace de Black, il semblerait que la meilleure façon de comparer les deux nuages de points consiste à tracer la courbe de tendance de chaque mélange. Ceci donne le graphique suivant :



66

Figure 4.10 Comparaison des deux mélanges dans l'espace de Black

De cette manière, on remarque que l’enrobé témoin est légèrement plus visqueux que l’enrobé composé de GBR.

En conclusion de ces essais de module complexe, tout en relativisant du fait du nombre d’éprouvettes testées, on pourra dire que les deux mélanges ont un comportement très similaire du point de vue du module complexe. Il s’agit d’un résultat positif en termes d’économie de matériaux notamment. De plus, ces résultats laissent entrevoir de bons espoirs quant au recyclage d’enrobés contenant l’additif le plus employé lorsqu’il s’agit d’enrobés tièdes.



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5. CONCLUSION ET PERSPECTIVES

Ce projet s’est révélé intéressant sur bien des niveaux. Tout d’abord, la recherche bibliographique m’a permis d’avoir de meilleures connaissances sur le sujet au sens vaste. De plus, l’épreuve de formulation montre bien les problématiques auxquelles font face les professionnels. En effet, des paramètres peuvent être antagonistes et des matériaux de mauvaise qualité ou non conformes peuvent mettre en péril un projet. En effet, cela a été le cas de du bitume de ce projet qui n’était pas assez visqueux par rapport à sa fiche technique. Ce problème a couté de nombreux jours de travail mais donne une certaine ouverture d’esprit propre à la résolution de problèmes. Néanmoins, pour un projet de ce type, il semble intéressant de systématiquement réaliser un essai rapide sur le bitume comme le viscosimètre de Brookfield afin d’éviter de perdre trop de temps.

Les essais de retrait thermique empêché et de module complexe permettent de vérifier les capacités d’un enrobé réalisé avec 25% de GBR contenant 1,8% de Sasobit®. En effet, les comparaisons avec l’enrobé témoin mettent en évidence le peu de différences entre ces deux mélanges. Il semblerait donc qu’un tel enrobé soit intéressant à produire dans le futur si l’emploi de l’additif Sasobit® persiste. Néanmoins, il est important de rappeler que ces résultats se basent sur un seul essai par mélange et même s’ils sont cohérents, il faudrait en réaliser au moins un autre par mélange afin de les vérifier. Enfin, on ajoutera que ce projet s’est concentré sur les essais de PCG, de retrait thermique empêché et de module complexe. Or, pour s’assurer qu’un tel enrobé soit conforme aux attentes du terrain, il faudrait lui faire subir des essais d’orniérage et de fatigue.

En outre, pour réellement comparer les propriétés d’un tel enrobé, il serait intéressant de réaliser un enrobé composé de 25% de GBR réalisé à chaud. De cette manière, le recyclage de l’additif Sasobit® sera réellement visible.

L’ensemble de ce projet montre bien le travail de recherche réalisé dans un laboratoire avec les démarches qu’il a fallu suivre pour arriver à des résultats exploitables. Il s’agit d’un domaine très différent ce qui rend cette expérience intéressante. C’est une bonne façon de terminer une école d’ingénieur car les connaissances théoriques et techniques ont été constamment utilisées.



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[33] A. Carter et D. Perraton, "Mesure de la performance aux basses températures des matériaux bitumineux: essais TSRST et de traction directe," LUCREB, Bitume Québec,



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[35] Ecole de Technologie Supérieure, "Laboratoire D: les enrobés bitumineux partie 1," Science des matériaux.



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ANNEXES

1. Exemple de formulation niveau 1

2. Formulation phase 1

3. Formulation phase 2

4. Exemple des courbes obtenues avec l’essai BBR

Documents

MÉMOIRE DE PFE Spécialité Génie Civileprints2.insa-strasbourg.fr/829/1/Mémoire_PFE_Montalant_Arnaud.pdf · Étude de l’influence du ecyclage d’en obés ... j’expime ma