Conception des revêtements bitumineux pour minimiser

la fissuration à basse température (D'après Hode Keyser, 1982)

La fissuration transversale des revêtements bitumineux à basses températures constitue un problème de taille au Canada et au Québec, à cause du climat. De nombreuses recherches, théoriques et appliquées, menées en labora-toire et sur des routes, ont été effectuées en vue d'établir des méthodes de conception permettant d'éliminer, sinon de contrôler, le problème des fissures transversales. De telles fissures peuvent affecter sérieusement la sécurité et le confort et peuvent avoir des conséquences écono-miques graves. On trouvera plus loin une méthode de conception simple et rationnelle développée par l'Asphalt lnstitute (1981) dans le but de minimiser la fissuration transversale.

Causes de la fissuration transversale à basses températures

Le bitume est un matériau viscoélastique dont les carac-téristiques dépendent essentiellement de la température.

Ainsi, lorsque la température s'élève, il se ramollit et lorsque la température baisse, il devient rigide et cassant.

De plus, il rétrécit et se dilate avec les variations de tem-pérature. Lors d'un abaissement de température, les phénomènes de rigidification et de retrait se combinent, augmentant le risque de fissuration.

Celle-ci survient surtout lorsque les contraintes thermiques induites à une certaine température sont supérieures à la résistance à la traction du revêtement bitumineux.

Les fissures transversales peuvent être également cau-sées par des problèmes dans les couches de base et/ou de fondation, ou peuvent résulter des soulèvements diffé-rentiels du sol de fondation (Keyser & Laforte, 1982).

Facteurs qui influencent la fissuration transversale L'occurrence et l'évolution de la fissuration transversale thermique sont influencées, à des degrés divers, par plusieurs facteurs :

le climat

le type de fondation et de sol les propriétés du bitume les propriétés du revêtement l'épaisseur du revêtement l'âge du revêtement le trafic, etc.

Ce sont les propriétés du bitume qui ont été le plus étu-diées. De nombreuses corrélations ont été établies entre ces propriétés et la fissuration transversale. Voici une brève description des facteurs qui influencent la fissuration à basse température des revêtements. Les facteurs énu-mérés sont loin d'être exhaustifs et les recherches doivent se poursuivre pour en définir l'importance.

Conditions climatiques

La fissuration à basses températures dépend des con-ditions climatiques hivernales (température, vent, neige, vitesse de changement de la température, etc.).

Les fissures apparaissent généralement lorsque la température du revêtement descend en dessous des valeurs critiques pendant un certain laps de temps.

Type de fondation

Le type de fondation peut avoir, dans certains cas, une influence significative sur là fissurâtion transversale à basse température. On a notamment observé que pour des revêtements identiques, une chaussée con-struite sur un sol sableux présente plus de fissures transversales dues aux basses températures qu'une chaussée construite sur un sol argileux.

Propriétés du bitume

Les bitumes sont classés selon la pénétration à 25° C (77° F) ou la viscosité à 60° C (140° F). Il est prouvé que l'utilisation de bitumes plus mous (pénétration plus élevée) ou moins visqueux (viscosité plus faible) peut réduire grandement la fissuration transversale due au basses températures. Cependant, prises séparément, ces caractéristiques ne constituent pas un critère approprié pour le choix du bitume. Car des bitumes de même classe mais de sources différentes peuvent avoir des consistances significativement différentes à basse température et, de ce fait, des tendances dif-férentes à la fissuration à basse température. Il est important de choisir la classe de bitume en fonction de la température.

Il existe une relation directe entre la rigidité du bitume et la fissuration transversale à basse température du revêtement. La rigidité d'un bitume donné peut être évaluée à différentes températures, ce qui permet de définir sa sensibilité à la température.

Presque toutes les méthodes de conception des revê-tements sont basées sur la rigidité du bitume à basse température.

Propriétés du revêtement

Le pourcentage de vides et le pourcentage de bitume dans le mélange du revêtement influencent la rigidité et la résistance à la rupture du mélange et, de ce fait, affectent aussi la fissuration transversale. Cependant, des essais routiers ont démontré qu'une variation dans le pourcentage de bitume de ± 1 % de la valeur opti-mum affecte peu le degré de fissuration du revête-ment.

L'absorption du bitume par les granulats peut influen-cer la rigidité du mélange.

Épaisseur du revêtement

La résistance à la fissuration à basse température semble augmenter avec l'épaisseur du revêtement.

Âge du revêtement

La fréquence des fissures augmente avec l'âge du revêtement. Cela peut être dû au durcissement du bitume par oxydation.

Trafic

Une faiblesse structurale de la chaussées due à la fatigue peut causer la fissuration transversale à des températures auxquelles une chaussée neuve simi-laire résisterait.

Méthode de conception des revêtements à basse température

Il n'existe pas encore de méthode fiable pour contrôler ou éliminer la fissuration transversale reliée aux basses tem-pératures. Une telle méthode devra tenir compte de tous les facteurs d'influence. Les méthodes existantes sont basées sur l'un ou l'autre des concepts suivant :

les caractéristiques du bitume;

la prévision de la température de fissuration du revêtement à partir des valeurs limites de rigidité à basse température, des bitumes ou des mélanges bitumineux.

Méthodes basées sur les caractéristiques du bitume Les • études sur chaussées en service ont clairement démontré que la fissuration transversale à basse tempéra-ture peut être grandement réduite, voire même être élimi-née, en utilisant un mélange ayant un faible module de rigidité à basse température. De tels mélanges peuvent être obtenus avec un bitume plus mou. Cependant, comme la consistance du bitume à une température don-née ne peut constituer un critère de contrôle de la fissura-tion pour tous les bitumes, les limites des caractéristiques sont généralement basées à la fois sur la viscosité et la pénétration ou la sensibilité à la température du bitume.

Les méthodes basées sur les caractéristiques sont 106

-30 -25 -20 -15 °C -40 ::35

;":°F 0

Q ,

-30 -20 -10

'Coefficient de correlation: 0,546 Erreur standard: 4,049

a- x ^-10

-20°C

-25

93

Basé sur un cycle de basses températures de la route dlessal Ste-Anne

généralement très restrictives et, de ce fait, elles peuvent éliminer des bitumes qui auraient pu avoir un bon com-portement en service.

Méthodes basées sur la rigidité du bitume ou du mélange

Ces méthodes consistent essentiellement à prévoir la tem-pérature de fissuration à partir de la rigidité du bitume ou du mélange. Le principe de base vise à établir les valeurs limites de rigidité du bitume ou du mélange en fonction de la température d'utilisation.

Certaines méthodes sont basées sur des mesures indi-rectes ou les valeurs prévues de la rigidité, et d'autres, d'une façon plus précise, sur des mesures directes. Mais comme les appareils nécessaires pour déterminer la rigi-dité sont complexes et trop coûteux pour être utilisés couramment, la rigidité du bitume ou des mélanges est généralement évaluée par des méthodes indirectes comme celle de l'abaque de Van der Poel, dont les paramètres d'entrée sont obtenus à partir des essais de routine, c'est-à-dire l'essai de pénétration et l'essai du point de ramollissement bille et anneau.

Méthode de l'Asphalt Institute

La méthode de l'Asphalt Institute (1981) fait partie des méthodes du deuxième groupe. La méthode a l'avantage d'être simple d'application. Le principe de base est le sui-vant : on détermine à partir de la température minimale de la surface la température de design du revêtement (Td).

Puis, on prévoit pour le type de bitume proposé la tem-pérature à laquelle le revêtement se fissurera (T p).

Ensuite, on compare les deux températures ^Td et Tp ; si la température de fissuration prévue (T p) est supérieure à la température de design (Td), le design est adéquat pour le comportement à basse température et le mélange doit être vérifié du point de vue du comportement durant l'été, car l'utilisation d'un bitume trop mou peut conduire à des pro-blèmes d'orniérage sous le trafic durant cette saison. Si, par contre, la température de fissuration prévue est inférieure à la température de design, il faut alors choisir un bitume plus mou, ou utiliser un bitume moins sensible à la variation de température s'il y a lieu.

Étapes de la méthode

Les étapes principales de la méthode sont :

a) Détermination de la température de design du revête-ment (Tr)

La température de design est la température minimale que la surface du revêtement peut atteindre en ser-vice; cette température minimale est normalement mesurée à une profondeur variant entre 6 mm (114P°) et 12 mm (1/2P°). Lorsque les données sur la tem-pérature de surface ne sont pas disponibles, on peut l'évaluer avec les données de température minimale de l'air provenant des stations météorologiques (Fig. 4-3).

TEMPÉRATURE MINIMALE. JOURNAUÈRE DU REV2- . TENENT ° F. (X) .11 Ife- 1/2" DE PROFONDEUR

Figure 4-3 Relation entre la température minimale jour-nalière ambiante et la température corres-pondante de la chaussée durant un cycle de basse température (d'après Hode-Keyser, 1982).

Détermination de la température de fissuration du revê-tement

La température de fissuration du revêtement est déter-minée à l'aide de l'abaque de la figure 4-4 avec les valeurs de la pénétration du bitume à 25° C et à 5° C (77° F et 47° F) pour des conditions de charge et de temps de 100 g et 5 secondes.

La précision de la prévision de la température de fissu-ration dépend en grande partie de la précision de l'es-sai de pénétration à 5° C. Il importe donc que l'esl'es-sai soit précis.

Choix du type de bitume approprié

Le choix se fait en comparant les températures de design ^(Tr) et celle de fissuration (T p). Comme on l'a déjà mentionné, le design est adéquat pour les condi-tions de basse température si la température de fis-suration prévue est supérieure à la température de design. Dans le cas contraire, le choix du type de bitume est modifié soit en prenant une classe de bitume plus mou, soit en utilisant un bitume moins sen-sible à la température. Dans les cas limites, un bon jugement est nécessaire pour éviter l'élimination de bitumes qui peuvent avoir un bon comportement.

a 60

Figure 4-4 Abaque pour réduire les températures de fis-suration (d'après Hode-Keyser, 1982).

d) Choix du bitume pour le design optimal

Cette étape consiste à vérifier si le choix du bitume pour les conditions de basse température répond aussi aux exigences structurales à haute température. Dans cer-tains cas, ceci ne pose pas d'inconvénients, mais dans d'autres cas il arrive que des compromis s'imposent entre le comportement à basse et à haute tempéra-tures.

Exemple d'application

Prenons une autoroute principale dans les Cantons de l'Est. On en est aux dernières étapes du design, qui doit être vérifié pour la fissuration à basse tempéra-ture.

On utilise les données de température obtenues à la plus proche station météorologique pour les 15 der-nières années. La température minimale journalière de l'air ambiant pour cette période (1966 à 1980) est de -36,7° C. La température minimum de la surface de la chaussée (Tr) est de -29,8° C (Fig. 4-3).

Les résultats des essais de pénétration pour le bitume proposé indiquent une pénétration de 10 à 5° C et 124 à 25°C. À partir de la figure 4-4, ces valeurs donnent une température de fissuration prévue (T p) de -36° C.

La température de fissuration prévue étant en dessous de la température minimale de la surface (Tp = -36° C>

Tr = -29,8° C), le bitume choisi est donc approprié.

Pour une autoroute, il est important de vérifier si le revêtement est suffisamment résistant à l'orniérage. Si oui, le design sera optimum. Sinon, il faudra doser le mélange pour assurer sa résistance.

4.4 Quelques exemples de cas d'aéroports