Chapitre 8 Phases de lessivage et de séchage
8.2. Frottement à l’interface
8.2.1. Calcul de la masse du mélange à partir des pesées
8.2.3. Influence des caractéristiques liées aux particules, à la surface et à l’eau ... 177 8.2.3.1. Taille des particules ... 177 8.2.3.2. Texture de la surface ... 180 8.2.3.3. L’ajout d’eau ... 181 8.2.4. Relation entre le frottement et la masse du mélange ... 182 8.3. Vers une prédiction du frottement ... 184 8.3.1. Estimation de la fraction volumique des particules et d’eau dans le mélange ... 184 8.3.1.1. Hypothèses et application ... 184 8.3.1.2. Fraction volumique des particules dans le mélange ... 185 8.3.2. Estimation de la viscosité du mélange d’eau et des particules ... 190 8.3.2.1. Approche expérimentale ... 190 8.3.2.2. Approche théorique ... 191 8.3.2.3. Viscosité du mélange ... 195 8.3.3. Application au calcul du frottement ... 197 8.3.3.1. Modèle de frottement ... 197 8.3.3.2. Résultats ... 199 8.4. Conclusions ... 201
8.1. Introduction
Après avoir discuté l’effet des particules sèches situées dans l’interface sur le coefficient de frottement, ce chapitre est consacré à l’effet sur le frottement d’un mélange d’eau et de particules à l’interface. Les travaux réalisés dans le domaine routier sur l’évolution du frottement sur une surface contaminée lorsqu’il pleut, mettent en lumière les phénomènes rencontrés et leur impact sur le frottement de manière qualitative (Figure 8.1). Au travers de ce chapitre, nous essayons d’aller plus loin en représentant l’évolution frottement en fonction d’un indicateur quantitatif. La phase de dépôt (à sec) a été abordée dans les chapitres précédents. Les deux phases de lavage et de séchage seront traitées dans ce chapitre.
Temps (échelle indiquant plutôt des étapes d’évolution)
Figure 8.1 Phases étudiées
Le comportement du mélange de particules et d’eau à l’interface pneu/chaussée sera évalué par des mesures de frottement au pendule SRT et des mesures de masse du mélange avant et après chaque mesure de frottement. L’influence des caractéristiques des particules (taille) et du mélange (fraction volumique des particules dans l’eau) ainsi que des caractéristiques de la surface d’essai (microtexture, macrotexture) sur le frottement sera abordée. Dans le cas mouillé, il est compliqué de faire des visualisations à l’interface comme dans le cas sec. Ceci demande des outils spécifiques, comme un Microscope Electronique à Balayage Environnemental (MEBE). Dans ce chapitre on se limite à la mesure de frottement et de la masse du mélange. On détermine par la suite la viscosité du mélange.
8.2. Frottement à l’interface
8.2.1. Calcul de la masse du mélange à partir des pesées
Le protocole expérimental, présenté dans le chapitre 4 (paragraphe 4.6.3.2), consiste à simuler une phase de mouillage suivie par une phase de séchage sur une surface initialement contaminée par des particules. Phase de dépôt Phase de lessivage Phase de séchage
Dans la phase de mouillage, il s’agit de répéter des séquences de mouillage consistant à exposer l’échantillon pendant 10s au simulateur de pluie puis de mesure du coefficient de frottement. Le critère d’arrêt de ces séquences est défini de manière arbitraire par l’enregistrement de trois valeurs consécutives du coefficient de frottement qui ne diffèreraient pas de plus de 0,01.
Dans la phase de séchage, il s’agit de répéter des séquences consistant à laisser l’échantillon sécher pendant 60s puis à passer le patin du pendule SRT sur la surface de l’échantillon. Le critère d’arrêt de ces séquences est défini de manière arbitraire par l’enregistrement de trois valeurs consécutives du coefficient de frottement qui ne diffèrent pas de plus de 0,01 ou lorsque le coefficient de frottement dépasse 1.
Entre chaque mesure de frottement et chaque étape de mouillage/ séchage, la plaque est pesée et la quantité du mélange présente sur la surface est déduite (en connaissant la masse de la plaque propre). Les formules adoptées pour déterminer la masse des particules à chaque étape sont présentées ci-dessous : 𝑚 𝑚é𝑙𝑎𝑛𝑔𝑒,𝑖 𝑎𝑣𝑎𝑛𝑡 = 𝑚é𝑐ℎ𝑎𝑛𝑡𝑖𝑙𝑙𝑜𝑛,𝑖𝑎𝑣𝑎𝑛𝑡 − 𝑚0 (8.1) 𝑚 𝑚é𝑙𝑎𝑛𝑔𝑒,𝑖 𝑎𝑝𝑟è𝑠 = 𝑚é𝑐ℎ𝑎𝑛𝑡𝑖𝑙𝑙𝑜𝑛,𝑖𝑎𝑝𝑟è𝑠 − 𝑚0 (8.2) 𝑚 𝑚é𝑙𝑎𝑛𝑔𝑒,𝑖 𝑎𝑣𝑎𝑛𝑡 𝑚𝑜𝑢𝑖𝑙𝑙𝑎𝑔𝑒/𝑠é𝑐ℎ𝑎𝑔𝑒 = 𝑚 𝑚é𝑙𝑎𝑛𝑔𝑒,𝑖 𝑎𝑝𝑟é𝑠 𝑆𝑅𝑇 (8.3) 𝑚 𝑚é𝑙𝑎𝑛𝑔𝑒,𝑖 𝑎𝑝𝑟è𝑠 𝑚𝑜𝑢𝑖𝑙𝑙𝑎𝑔𝑒/𝑠é𝑐ℎ𝑎𝑔𝑒 = 𝑚 𝑚é𝑙𝑎𝑛𝑔𝑒,𝑖 𝑎𝑣𝑎𝑛𝑡 𝑆𝑅𝑇 (8.4) Où
m0 : masse de l’échantillon propre et sec ;
m mélange,i avant : masse du mélange à l’étape (i) avant chaque opération (SRT, mouillage, séchage); méchantillon,iaprès : masse de l’échantillon à l’étape (i) après chaque opération (SRT, mouillage, séchage). Comme dans le cas sec, les équations ci-dessus ne sont valables que si les pesées n’incluent pas de pertes de masses du patin de frottement et de la plaque d’aluminium. Aussi, on considère qu’entre chaque étape (SRT/mouillage/séchage) et pesée, sous un intervalle de temps très court (quelques secondes), la quantité d’eau évaporée est négligeable.
Pour rappel :
L’étape 0 correspond à la mesure du coefficient de frottement à l’état propre de la surface ; De l’étape1 jusqu’à la stabilisation du coefficient de frottement, il s’agit de la phase de
mouillage.
A partir de l’étape (n) où le mouillage s’interrompt, jusqu’à la stabilisation à nouveau du coefficient de frottement, il s’agit de la phase de séchage.
Figure 8.2 Variation typique du coefficient de frottement et de la masse du mélange des particules et d’eau en fonction des étapes du protocole (échantillon Sablé ; concentration 20g/m2 ; fraction 0-40µm)
Dans le cas des conditions mouillées, le coefficient de frottement d’une surface contaminée chute au début et remonte progressivement ensuite avec les passages du patin et l’ajout de l’eau avant qu’il ne se stabilise. Dès la phase de séchage, le coefficient de frottement remonte de nouveau jusqu’à atteindre le niveau de frottement d’une surface propre. Sans tenir compte de l’étape 0 (surface propre et sèche), l’évolution du frottement peut être divisée en trois phases : une rapide croissance qui se manifeste par un lessivage progressif de la surface par l’eau au début de mouillage (phase 1), une phase stable où l’eau domine le frottement, (phase 2); et, de nouveau, une rapide croissance, quand la surface commence à sécher (phase 3). Ces trois phases sont décrites dans la littérature (Chapitre 2 ; Figure 2.21). Ces résultats montrent que le protocole expérimental permet de simuler en laboratoire les phénomènes observés in-situ sur une chaussée contaminée.
Phase 3 Phase 1 Phase 2
coefficient de frottement sont présentes également pour la masse du mélange. La phase 1 où la masse du mélange augmente lors de premières phases de mouillage, la phase 2 où la masse des particules décroit ensuite augmente légèrement quand le coefficient de frottement se stabilise et la phase 3 où la masse du mélange décroit rapidement quand la surface commence à sécher.
Lors de la première phase de mouillage (phase 1), les courbes montrent que l’éjection du mélange est plus faible que dans les étapes qui suivent (en tenant en compte de la variation de la masse de mélange). Avec une faible quantité d’eau le mélange est retenu par la texture de la surface, ce qui rend l’éjection plus difficile. En ajoutant de l’eau, le mélange devient plus dilué, l’éjection de ce mélange devient donc plus facile.
8.2.3. Influence des caractéristiques liées aux particules, à la surface et à l’eau