N=1,5 h=50cm N=2 h=50cm N=2,5 h=50cm N=3 h=50cm N=1,5 h=100cm N=2 h=100cm N=2,5 h=50cm N=3 h=100cm
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5) Caractérisation des matériaux
5.1) Généralités
Dans le cadre du projet, des modèles réduits de chaussées ont été construits. Chaque spécimen de chaussée était composé d’une fine couche d’asphalte reposant sur une couche de fondation granulaire (matériau MG-20), le tout reposant sur un sol d’infrastructure. Il est important de connaître les propriétés géotechniques des matériaux utilisés afin de mieux comprendre leur comportement lors des essais sous simulateur. Chaque matériau a donc subit un certain nombre d’essais de caractérisation, essais réalisés selon les exigences du Bureau de Normalisation du Québec (BNQ).
Toutes les courbes relatives à la caractérisation des matériaux sont présentées en Annexe IV.
5.2) Caractérisation des sols d’infrastructure
Quatre sols d’infrastructure différents ont été utilisés pour les essais. La granulométrie de chacun des sols est déterminée par tamisage puis sédimentation. La masse volumique des grains solides est déterminée par l’essai de « densité relative ». Chaque sol a aussi subit un essai Proctor modifié et un essai CBR. Les limites de consistance ont également été déterminées.
5.2.1) Granulométrie par tamisage et sédimentation
Des échantillons de sol ont été prélevés et ont subi un tamisage suivi d’une sédimentation afin de déterminer la granulométrie selon les Normes BNQ-2501-025 et BNQ-2560-040.
L’essai granulométrique suivi de la sédimentation permet de connaitre le type de sol sur lequel sont effectués les essais. Cette information est importante à connaitre car quatre sols différents ont été utilisés lors des essais de chargement en simulateur et il est intéressant de pouvoir relier la nature du sol à son comportement sous chargement répété.
Le tamisage consiste à insérer un échantillon de matériau sec dans un tamiseur vibrant constitué d’une série de tamis à mailles carrées dont les ouvertures vont en décroissant. Connaissant la masse totale de l’échantillon, on peut déterminer le pourcentage de particules recueillies sur chaque tamis par pesage. La fraction passant le tamis 2mm est récupérée pour subir une sédimentation.
La sédimentation consiste à mettre en suspension la fraction fine du sol dans un cylindre rempli d’eau. L’essai est basé sur le principe que la vitesse de sédimentation dans un milieu visqueux est fonction du diamètre des particules suivant la loi de Stokes :
ν =ρs− ρw
18η D² (38)
Où : 𝜈 = vélocité des particules (m/s)
𝜌𝑠 = masse volumique des particules (kg/m3) 𝜌𝑤= masse volumique du liquide (kg/m3) 𝜂 = viscosité du liquide (Pa.s)
50
La mesure du temps de sédimentation permet donc de déterminer le diamètre des particules sédimentées et la mesure de la densité du liquide permet d’établir la quantité de particules encore en suspension. Il est donc possible d’établir la proportion de particules de différentes dimensions dans la fraction fine d’un sol.
L’Annexe IV présente l’ensemble des courbes granulométriques des quatre sols.
5.2.2) Densité Relative
La densité relative des grains est définie comme étant le rapport entre la masse des grains à une température donnée et la masse d’un volume d’eau pure égal au volume des grains à la même température. Le volume d’un grain inclut aussi le volume des pores non saturables.
La connaissance de la densité relative des grains d’un sol permet d’utiliser les modèles de prédiction du module réversible (voir section 2.2.2.3) ).
L’essai pour déterminer la densité relative des grains d’un sol est défini par la Norme BNQ- 2501-070 et se déroule comme suit :
_Calibrer les deux pycnomètres qui serviront pour l’essai en mesurant l’évolution de la masse d’un pycnomètre rempli d’eau désaérée en fonction de la température. Une pompe à vide permet d’obtenir de l’eau désaérée, la Figure 43 montre un tel dispositif.
Figure 43 : Pompe à vide
_Introduire environ 100g de sol (particules de diamètre inférieur à 5mm) dans chacun des deux pycnomètres et les remplir avec de l’eau désaérée (en utilisant une nouvelle fois la pompe à vide) puis peser le tout et prendre la température du mélange.
_Transférer le contenu du pycnomètre dans un récipient préalablement taré, le placer à l’étuve et faire sécher jusqu’à masse constante. Peser ensuite le récipient et son contenu pour en déduire la masse du sol sec.
51 Dr=
ms× ρwessai
ρw20°C× (ms− mp+s+e+ mp+e) (39)
Où : Dr = Densité relative des grains du sol à 20°C ms = Masse du sol sec (g)
𝜌𝑤𝑒𝑠𝑠𝑎𝑖 = Masse volumique de l’eau à la température de l’essai (g/cm3) 𝜌𝑤20°𝐶 = Masse volumique de l’eau à 20°C (0,99823g/cm3)
𝑚𝑝+𝑠+𝑒 = Masse du pycnomètre + sol + eau à la température de l’essai (g) 𝑚𝑝+𝑒 = Masse du pycnomètre + eau à la température de l’essai (g)
Il est nécessaire d’utiliser deux pycnomètres pour valider l’essai. La densité relative est calculée pour chacun des pycnomètres, le résultat exprimé étant la valeur moyenne des deux essais ayant un écart inférieur à 0,010. Si l’écart est supérieur à 0,010, les essais doivent être rejetés.
Le Tableau 10 expose les résultats des essais, à savoir la densité relative des grains des quatre sols d’infrastructure :
Tableau 10 : Densité relative des grains des sols d’infrastructure
Sol 1 Sol 2 Sol 3 Sol 4
Densité relative
des grains du sol 2,6800 2,7035 2,765 2,617
5.2.3) Essai Proctor modifié
L’essai Proctor permet de déterminer la masse volumique maximale d’un matériau compacté associée à une teneur en eau optimale. Ainsi, connaissant l’optimum Proctor de chacun des sols, il est possible de déterminer le pourcentage de compaction des échantillons construits dans la cuve du simulateur et d’essayer de s’approcher au plus près de l’optimum.
Chaque sol a subit un essai Proctor modifié. Pour une teneur en eau donnée, un échantillon de sol a été compacté en 5 couches dans un moule de 2132,7cm3. Chaque couche a reçu 56 coups d’un marteau de 4,54 kg tombant d’une hauteur de 45,7cm conformément à la Norme BNQ- 2501-250.
Il s’agit de déterminer la masse volumique sèche de l’échantillon compacté et de réitérer l’opération pour plusieurs teneurs en eau différentes.
Une courbe représentant l’évolution de la masse volumique sèche en fonction de la teneur en eau est alors obtenue. Le sommet de la courbe désigne l’optimum Proctor : il correspond à la masse volumique sèche maximale associée à la teneur en eau optimale.
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La courbe de Saturation (correspondant à Sr=100%) est également tracée pour chaque essai. La formule de cette courbe est donnée en équation (40) :
Wsat = (1 ρd−
1
ρs) × 100 (40)
Avec : 𝑊𝑠𝑎𝑡 = Teneur en eau à saturation (%) 𝜌𝑑 = Masse volumique sèche (g/cm3)
𝜌𝑠 = Masse volumique des grains solides (g/cm3)
L’Annexe IV présente les courbes relatives aux essais. Le Tableau 11 résume les optimums Proctor des quatre sols.
Tableau 11 : Optimums Proctor
Sol 1 Sol 2 Sol 3 Sol 4
Masse volumique sèche maximale (kg/m3) 1894 2064 1701 1890 Teneur en eau optimale (%) 13,2 9,2 21,1 6,1 5.2.4) Limites de consistance
Les limites de consistance sont des informations qui, associées aux courbes granulométriques, permettent de classifier précisément les sols.
La limite de liquidité est estimée avec le test au cône suédois, la limite de plasticité est déterminée avec le test des rouleaux, selon la Norme BNQ-2501-092. Le test au cône suédois consiste à mesurer la pénétration d’un cône de 60g et de 60° dans un sol remanié dont on augmente progressivement la teneur en eau. Le test de limite de plasticité consiste à rouler une portion de sol jusqu’à son effritement, il n’a pas pu être réalisé sur les sols 1, 2 et 3 car ceux-ci n’étaient pas plastiques.
La limite de liquidité est la teneur en eau correspondant à une pénétration du cône de 10mm. La limite de plasticité est la teneur en eau à laquelle un fil de sol se casse en rouleaux de 3mm de diamètre lorsqu’il est roulé à la main. L’Annexe IV présente les courbes relatives aux essais. Les limites de consistance des quatre sols sont recensées dans le Tableau 12 :
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Tableau 12 : Limites de consistance
Sol 1 Sol 2 Sol 3 Sol 4
WL (%) 29,4 16,32 27,90 18,7
WP (%) Non plastique Non plastique 17,20 Non plastique
5.2.5) Classification des sols
Le Tableau 13 présente la classification des quatre sols selon la norme du MTQ. Les coefficients Cu et Cc sont déterminés à partir des courbes granulométriques et sont définis par les équations (41) et (42).
Cu =D60
D10 (41)
Avec : Cu = Coefficient d’uniformité
D60 = Diamètre des particules pour un pourcentage passant de 60% (mm) D10 = Diamètre des particules pour un pourcentage passant de 10% (mm)
Cc = (D30)²
D60× D10 (42)
Avec : Cc = Coefficient de courbure
D30 = Diamètre des particules pour un pourcentage passant de 30% (mm) Tableau 13 : Classification des sols
Sol 1 Sol 2 Sol 3 Sol 4
% passant 5mm 62% 92% 100% 90%
% passant 80μm 53% 26% 73% 3%
Cu 123 18 337 5
Cc 1,56 0,9 0,46 0,8
WL 29,4% 16,32% 27,9% -
WP Non Plastique Non Plastique 17,2% -
Classification unifiée ML (Silt argileux) SM (Sable silteux) CL (Argile inorganique) SP (Sable mal gradué) La classification des sols selon le MTQ est présentée en Annexe V.
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5.2.6) Essai CBR
L’essai CBR (California Bearing Ratio) permet de déterminer la portance de sols compactés en laboratoire à leur teneur en eau optimale (déterminée préalablement avec l’essai Proctor). Il existe des modèles pour relier la valeur CBR d’un sol à son module réversible. Des méthodes de conception des chaussées non revêtues ont été élaborées à partir de l’indice CBR (voir 2.4.2.1)). Il s’agit, selon la Norme ASTM D 1883-92, de compacter un sol dans un moule, de lui appliquer une surcharge (pour assurer un certain confinement au matériau) et d’y faire pénétrer un piston. On suit l’évolution de la charge en fonction de la pénétration du piston, la valeur de CBR correspond à la charge requise pour obtenir une pénétration divisée par une charge de référence. Les mesures sont typiquement effectuées pour des enfoncements de 2,5mm (charge de référence : 13,3 kN) et de 5mm (charge de référence : 19,9 kN). Les charges de référence correspondent à un sol de bonne portance testé dans les années 30 en Californie, la valeur CBR correspondant au pourcentage de rigidité du sol testé par rapport au sol de référence.
La Figure 44 résume l’essai CBR.
Figure 44 : Essai CBR (Bilodeau, 2014)
L’Annexe IV présente les courbes relatives aux essais. Le Tableau 14 résume les résultats pour chacun des sols.
Tableau 14 : Résultats CBR sols d’infrastructure
Sol 1 (ML) Sol 2 (SM) Sol 3 (CL) Sol 4 (SP)
Masse volumique sèche essai (kg/m3) 1394 1996 1378 1814 Masse volumique sèche optimale (kg/m3) 1894 2064 1701 1890 Pourcentage de compaction 73,62% 96,71% 81,06% 96,01% CBR 4,02% 51,68% 2,48% 28,22%
Il est possible de mettre ces résultats en perspective en les comparants aux valeurs typiques de CBR établies selon le type de sol par l’U.S. Army Corps of Engineers en 1953 (Tableau 15). Les valeurs de CBR mesurées sont légèrement inférieures aux intervalles pour les sols 1 et 3,
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cela est dû au pourcentage de compaction qui n’a pas été suffisant. En effet, le matériel à disposition, un marteau vibrant, n’a pas permis d’obtenir des taux de compaction plus élevés, et ce même en augmentant le nombre de couches compactées. Les valeurs de CBR des sols 2 et 4 sont supérieures aux intervalles typiques, mais d’une manière générale les ordres de grandeur sont corrects pour chacun des sols.
Tableau 15 : Valeurs typiques du CBR selon U.S. Army Corps of Engineers (1953)
Classification du sol selon USCS Valeur CBR (%)
GW 60 - 80 GP 35 – 60 GM 40 – 80 GC 20 – 40 SW 20 – 40 SP 15 – 25 SM 20 – 40 SC 10 – 20 ML 5 – 15 CL 5 – 15 OL 4 – 8 MH 4 – 8 CH 3 – 5 OH 3 - 5
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5.3) Caractérisation du MG-20
La couche de fondation dans le simulateur pour chacun des sols était composée d’un matériau MG-20 qu’il a fallu préalablement caractériser. Les essais de caractérisation sont les suivants : granulométrie, densité des gros granulats et des granulats fins, essai Proctor modifié, CBR et essai au bleu de méthylène.
5.3.1) Granulométrie par tamisage
La granulométrie par tamisage effectuée sur le MG-20 selon la norme BNQ-2501-025 a permis d’obtenir la courbe granulométrique présentée en Annexe IV.
Étant donné le faible pourcentage de particules passant le 80μm (6,4%), une sédimentation n’a pas été nécessaire.
Cette granulométrie permet de classifier le MG-20 (Tableau 16).
Tableau 16 : Classification MG-20 MG-20 % passant 5mm 46,4% % passant 80μm 6,4% Cu 62,5 Cc 0,97
Classification selon le MTQ GW-GM (Mélange gravier-sable-silt)
5.3.2) Densité relative et absorption du gros granulat
Cet essai s’effectue sur le gros granulat (retenu sur le tamis 5mm) selon la Norme BNQ-2560- 067. Il s’agit tout d’abord de définir les termes employés :
Densité relative brute : Rapport de la masse dans l’atmosphère d’un volume unitaire de granulat, y compris les vides perméables et imperméables dans les particules, mais à l’exclusion des vides entre les particules, à une température donnée à une masse dans l’atmosphère d’un volume égal d’eau distillée, exempte de gaz, à une température donnée.
Densité brute SSS : Rapport de la masse dans l’atmosphère d’un volume unitaire de granulat, y compris la masse d’eau à l’intérieur des vides remplis après immersion dans l’eau pendant 24 heures mais à l’exclusion des vides entre les particules, à une température donné et une masse dans l’atmosphère d’un volume égal d’eau distillée, exempte de gaz, à une température donnée. Densité relative apparente : Rapport de la masse dans l’atmosphère d’un volume unitaire de la portion imperméable du granulat, à une température donnée, à la masse dans l’atmosphère d’un volume égal d’eau distillée exempte de gaz, à une température donnée.
Absorption : Augmentation de la masse du granulat due à la présence d’eau dans les pores du matériau (mais excluant l’eau adhérant à la surface extérieure des particules) exprimée en
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pourcentage de la masse sèche. Le granulat est jugé être sec lorsqu’il est maintenu à une température de 110±5°C assez longtemps pour que sa masse demeure constante.
L’essai consiste à mesurer la masse d’une prise d’essai dans l’eau, après séchage au four et à l’état Saturé Superficiellement Sec (SSS). Ces états sont décrits dans la Figure 45.
Figure 45 : Conditions d’humidité des granulats (Dosage et contrôle des mélanges de béton, 2011)
Les résultats de l’essai ont présentés au Tableau 17.
Tableau 17 : Résultats de l’essai de densité relative et absorption gros granulat
Masse de l’agrégat séché à l’étuve (Ms) 1927,7g
Masse de l’agrégat saturé dans l’air (Msss) 1938,6g
Masse de l’agrégat pesé dans l’eau (Me) 1212,6g
Densité relative brute =Msss−MeMs 2,655
Densité brute SSS = Msss−MeMsss 2,670
Densité relative apparente = Ms
Ms−Me 2,697
Absorption = Msss−Ms
Ms 0,57%
5.3.3) Densité relative et absorption du granulat fin
Cet essai s’effectue selon la Norme BNQ-2560-065 sur le granulat fin (passant le tamis 5mm). Le Tableau 18 présente les résultats de l’essai :
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Tableau 18 : Résultats de l’essai de densité relative et absorption granulat fin
Masse de l’agrégat séché à l’étuve (Ms) 494,04g
Masse de l’agrégat saturé dans l’air (Msss) 500g
Masse de l’agrégat pesé dans l’eau (Me) 309,38g
Densité relative brute = Ms
Msss−Me 2,592
Densité brute SSS = Msss
Msss−Me 2,623
Densité relative apparente = Ms−MeMs 2,675
Absorption = Msss−MsMs 1,21%
5.3.4) Masse volumique des grains solides et absorption du MG-20
Les deux précédents essais permettent de calculer l’absorption et la masse volumique des grains solides du MG-20. Ces deux paramètres sont déterminés grâce aux équations (43) et (44).
AbsMG20=Abs>5mm× %>5mm+ Abs<5mm× %<5mm
100 (43)
Avec : AbsMG20 = Absorption des grains solides du MG-20 (%)
Abs>5mm = Absorption du gros granulat (%)
Abs<5mm = Absorption du granulat fin (%)
%>5mm = Pourcentage retenu au tamis 5mm (%)
%<5mm = Pourcentage passant le tamis 5mm (%)
ρsMG20= %>5mm+ %<5mm %>5mm ds>5mm+ %<5mm) ds<5mm (44)
Avec : 𝜌𝑠𝑀𝐺20 = Masse volumique des grains solides du MG-20 (g/cm3)
𝑑𝑠>5𝑚𝑚 = Densité relative du gros granulat 𝑑𝑠<5𝑚𝑚 = Densité relative du granulat fin
59 Les résultats sont consignés dans le Tableau 19.
Tableau 19 : Masse volumique des grains solides et absorption du MG-20
%>5mm %<5mm Abs>5mm Abs<5mm ds>5mm ds<5mm AbsMG20 ρsMG20 (kg/m3)
53,6% 46,4% 0,57% 1,21% 2,697 2,675 0,87% 2686,75
5.3.5) Essai Proctor modifié
Le Tableau 20 présente les résultats importants de l’essai Proctor sur le MG-20.
Tableau 20 : Résultats essai Proctor MG-20
Masse volumique sèche maximale (kg/m3) Teneur en eau optimale (%)
2249 6,5
5.3.6) Essai CBR
La courbe relative à l’essai CBR sur le MG-20 est présentée en Annexe IV. Le Tableau 21 présente les résultats importants de cet essai :
Tableau 21 : Essai CBR MG-20
Matériau MG-20
Masse volumique sèche essai (kg/m3) 1903,4
Masse volumique sèche optimale (kg/m3) 2248,8
Pourcentage de compaction 84,7%
CBR 68,3%
La valeur CBR mesurée est cohérente pour un GW-GM d’après le Tableau 12.
5.3.7) Essai au bleu de méthylène
L’essai au bleu de méthylène permet de déterminer la capacité d’absorption ionique des sols et des granulats. Son but est d’estimer la fraction argileuse d’un sol en déterminant la surface spécifique des particules du sol qui est directement proportionnelle à la valeur au bleu. La valeur au bleu est définie comme la quantité de bleu de méthylène qu’un échantillon sec de granulats peut absorber.
Cet essai se réalise en suivant la Norme NQ-2560-255. Il faut dans un premier temps préparer une solution de bleu de méthylène dosée à 10g de bleu solide par litre d’eau. L’essai consiste à ajouter successivement des doses de bleu de méthylène dans un bain aqueux contenant la prise d’essai (fraction granulométrique du sol qui passe le tamis 400μm). L’essai s’arrête lorsque les
60
particules de sol sont saturées de molécules de bleu. La saturation est indiquée par l’essai de la tâche qui consiste à prélever une goutte de suspension qui est déposée sur un papier filtre. La tâche ainsi formée se compose d’un dépôt central de sol coloré en bleu entouré d’une zone humide incolore. L’essai est dit positif si dans la zone humide apparaît autour du dépôt central une auréole bleu clair.
La valeur au bleu de la prise d’essai est calculée avec l’équation (45). La valeur au bleu corrigée au tamis 400μm est calculée avec l’équation (46). La surface spécifique des particules passant le tamis 400μm est calculée avec l’équation (47) et enfin l’équation (48) donne la surface spécifique de la fraction fine.
VB = V
Ms (45)
Avec : VB = Valeur au bleu de la prise d’essai (ml/g) V = Dosage de la solution de bleu (ml) Ms = Masse sèche de l’échantillon (g)
VB400=VB × %P400μm
100 (46)
Avec : VB400 = Valeur de bleu corrigée au tamis 400μm (ml/g)
%P400μm = Pourcentage passant de l’analyse granulométrique au tamis 400μm
Ss400μm= VB400× mBM× Av
373,91× ABM (47)
Avec : Ss400μm = Surface spécifique des particules passant le tamis 400μm (m²/g) mBM = Teneur en bleu de la solution de titrage (0,01g/l)
Av = Nombre d’Avogadro (6,02x1023atomes/mol)
ABM = Aire couverte par une molécule de bleu de méthylène (130 Ǻ²) (1Ǻ=1ångström=10-10m)
Ss = Ss400μm×
%𝑃400𝜇𝑚
%𝑃80𝜇𝑚 (48)
Avec : Ss = Surface spécifique des particules
%P80μm = Pourcentage passant de l’analyse granulométrique au tamis 80μm
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Tableau 22 : Résultats de l’essai au bleu de méthylène sur le MG-20
Masse sèche échantillon Dosage au bleu Valeur au bleu (VB) %𝑃400𝜇𝑚 %𝑃80𝜇𝑚 Valeur au bleu corrigée (VB400) Ss400 Ss 80g 6ml 0,075ml/g 20% 6,4% 0,015ml/g 0,314m²/g 0,981m²/g
D’après le Guide des Terrassements Routiers (GTR 92), le granulat analysé ci-dessus est insensible à l’eau car sa valeur au bleu de méthylène est inférieure à 0,1ml/g.
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6) Campagne expérimentale : essais sur simulateur de charge
routier
Pour analyser le comportement en déformation permanente d’un matériau de chaussée, le MTQ préconise des essais triaxiaux cycliques. Ces essais ont cependant leurs limites : les résultats obtenus sont spécifiques au matériau utilisé et l’effet de rotation des contraintes induit par une charge roulante, illustré par Lekarp et al. (Figure 46), n’est pas pris en compte.
Figure 46 : Phénomène de rotation des contraintes (Lekarp et coll., 2000a)
L’utilisation du simulateur de chargement routier de l’Université Laval permet de passer outre ces limitations et d’obtenir une vision plus réaliste du comportement d’une chaussée lors du passage des roues d’un véhicule, à l’échelle du laboratoire.