Cycle gel-dégel supplémentaire sous condition sa- sa-turéesa-turée

L’objectif de ce paragraphe est de présenter quelques résultats supplémentaires concer-nant un cycle de gel-dégel effectué sur une éprouvette d’enrobé saturée en eau par le Cerema. Cet essai est censé fournir des informations sur l’effet de la présence d’eau dans les pores du matériau. L’échantillon 40% AE a été utilisé à cet effet, car il présente le pourcentage de vides le plus élevé à savoir 12,7%. L’eau a été introduite à l’aide d’une méthode d’immersion à l’eau et de saturation sous vide. L’échantillon a d’abord été placé dans un récipient sous vide qui a ensuite été soumis à une dépression d’environ 98 kPa sous la pression atmosphérique pendant une heure (cf Fig.4.19). Ensuite, le récipient a été rempli d’eau, toujours sous vide, et l’échantillon a été maintenu à l’intérieur pendant une heure. Enfin, l’échantillon a été pesé pour mesurer la quantité de liquide qui a pénétré à l’intérieur et ainsi déterminer le degré de saturation. Il convient de noter que la saturation et les essais sont effectués dans deux laboratoires différents pour des raisons d’implantation des techniques mobilisées, à savoir le Cerema et l’IP. Après la saturation, l’échantillon est donc emballé dans un sac rempli d’eau puis transporté pour l’essai. La durée cumulée de transport et d’installation de l’échantillon est d’environ 25 min. Il était difficile de conserver l’eau à l’intérieur de l’échantillon pendant le transport et au cours de l’installation de celui-ci pour l’essai. Des fuites d’eau ont été notées pendant la phase de gel de l’essai. Au total, 3 cycles de gel-dégel ont été effectués sur cet échantillon et l’échantillon a été ré-saturé entre chaque cycle. Mais en raison de la fuite d’eau, seuls les résultats relatifs au dernier cycle sont exploitables. Avant l’installation de l’échantillon, le degré de saturation était d’environ 45%. Due à toutes ces incertitudes concernant l’évolution du degré de saturation de l’éprouvette, les résultats présentés par la suite sont uniquement qualitatifs.

L’évolution typique de la température de surface et au cœur de l’éprouvette est représentée sur Fig. 4.20. Cette courbe se distingue par deux points d’inflexion qui sont associé au chan-gement d’état de l’eau contenue dans les pores de l’échantillon. Le premier point est associé à la formation de la glace (phase de gel) et le deuxième à la fusion de la glace (phase de dégel). Ces points sont plus marqués pour la courbe correspondant à la température au cœur de l’échantillon (TCoeur). Cela résulte principalement de la différence de niveau de saturation et de la pression du liquide se trouvant à la surface et au cœur de l’échantillon.

La phase de solidification du liquide s’accompagne d’une légère augmentation de la tempé-rature. En effet, la formation de glace s’effectue à une température et pression constantes et l’énergie libérée se transforme en chaleur (chaleur latente de fusion), causant une augmen-tation de la température à la surface et au cœur de l’échantillon [156]. Par ailleurs, lors de la phase de dégel, la fusion de la glace s’effectue d’une manière plus progressive, il est alors difficile de distinguer les variations de température associées au changement d’état de l’eau à partir de l’évolution des températures mesurées sur une éprouvette [156].

L’expansion globale de l’échantillon selon les directions verticales et horizontales pendant la phase de dégel est présentée sur la Fig. 4.21. La déformation a été calculée en utilisant la procédure illustrée dans le paragraphe 4.3. La principale différence avec la réponse de l’échan-tillon testé à l’état sec est que les courbes révèlent dans le cas présent une contraction de la surface de l’échantillon causée par la fusion de la glace (voir les points 1 et 2 sur la Fig. 4.21).

Cette contraction est plus accentuée suivant la direction y. Pour observer la localisation de cette contraction, deux points ont été choisis (1 et 2 dans la Fig. 4.21) et la différence de déformation isotrope entre ces deux points a été calculée en utilisant l’équation Eq (4.1), suivante :

ε_M = (εxx2+ εyy2)/2− (εxx1+ εyy1)/2 (4.1) L’utilisation de la déformation isotrope moyenne permet de réduire le bruit et de visualiser la contraction dans les deux directions sur une seule carte. La carte correspondante est illustrée sur la Fig. 4.22. On peut constater clairement à partir de cette figure que la contraction due à la fusion de la glace est principalement concentrée au centre de l’échantillon alors que l’échantillon se dilate à proximité des bords. Ceci résulte principalement de la fuite d’eau de la surface de l’éprouvette. Par conséquent la contraction est principalement supportée par la quantité d’eau restant confinée au cœur de l’éprouvette. La phase où la contraction se produit (causée par la fusion de la glace) est indiquée sur Fig. 4.22. À partir de cette figure, il peut être conclu que la contraction se produit à la fois dans les vides et dans certaines zones du mastic. Cela pourrait indiquer qu’une fissure s’est initiée dans le mastic à l’intérieur duquel l’eau s’est infiltrée pendant la saturation. La fissure, si elle existe, n’est cependant pas visible sur les images de grille, sans doute à cause du pontage réalisé par la fine couche de colle.

Figure 4.20 – Évolution typique de la température à la surface et au cœur de l’échantillon avec des agrandissements montrant les températures lors du changement de phase du liquide ou du solide. -10 -5 0 5 10 15 20

T

Déformation moyenne

Figure 4.21 – Expansion globale de l’échantillon 40% AE suivant les directions verticale et horizontale.



 

Figure 4.22 – Carte de différence de déformation avant et après la fusion de la glace dans les pores du matériau (εM). La contraction due à la fusion de la glace est principalement concentrée au centre de la surface d’étude.

4.8 Conclusion

Dans ce chapitre, des essais de gel-dégel ont été effectués sur plusieurs enrobés contenant différents pourcentages d’agrégats d’enrobé (0%, 20%, 40% et 100%). Des essais de gel-dégel ont été effectués dans l’intervalle de température de -11°C à 20°C. Ces essais constituent un nouveau champ d’application pour les méthodes de mesure de champs. Toutefois, plusieurs adaptations spécifiques innovantes et la mise en œuvre de plusieurs solutions dédiées ont dû être introduites afin d’obtenir des résultats fiables et exploitables.

À travers une série d’essais de faisabilité, les principales difficultés associées à l’application des techniques des mesures de champs à ce type d’essais ont été identifiées et un certain nombre de solutions pratiques ont été proposées. La dilatation/contraction thermique des échantillons d’enrobé a été mesurée en utilisant à la fois la CIN et la MG. Après avoir com-paré les résultats provenant de ces deux techniques, la méthode de la grille a été jugée plus apte pour pousser l’investigation de la déformation thermique à l’échelle locale. La réponse thermique a été observée à des échelles spatiales allant de celle du liant jusqu’à l’échelle glo-bale.

À l’échelle globale, les échantillons cylindriques ont affiché une anisotropie selon les direc-tions verticale et horizontale. Celle-ci a été associée au compactage des échantillons le long de la direction verticale. La comparaison des courbes de dilatation globale en fonction de la température a montré que l’échantillon 100% AE est caractérisé par un CTE/CTC élevé par rapport aux autres mélanges. L’effet de l’incorporation des agrégats sur les réponses ther-miques des éprouvettes avec 20% et 40% d’agrégats n’était pas aussi claire.

L’analyse locale a montré que les champs de déformation dans les échantillons étaient très hétérogènes en raison de différence de propriétés thermo-volumétriques entre les granulats et le mastic. Il a également été observé que la réponse thermique locale du mastic est appa-remment anisotrope en raison de son interaction avec les granulats. En outre, l’interaction entre les composants d’enrobé (granulats et mastic) pendant le refroidissement thermique a été caractérisée expérimentalement.

La distribution du coefficient de contraction thermique apparent dans le mastic pour tous les échantillons a été aussi quantifiée. Ce coefficient est nettement plus élevé pour l’échantillon 100% AE que pour les autres échantillons. La comparaison de la valeur moyenne de ce coeffi-cient dans la structure de l’enrobé avec celle rapportée dans la littérature pour le mastic tout seul a suggéré qu’en réalité la contraction du mastic est fortement restreinte par le squelette granulaire.

Un cycle de gel-dégel additionnel a été effectué sur l’éprouvette 40% AE sous conditions sa-turées. Au cours de la phase de dégel, une contraction globale de l’éprouvette a été observée à 0°C. Celle-ci est due à la transformation en glace de l’eau contenue dans l’éprouvette. À l’échelle des constituants, l’examen de cette contraction a révélé qu’elle est localisée aussi bien dans les vides que dans le mastic. La dernière observation suggère l’initiation de fissures dans le mastic à l’intérieur desquelles l’eau s’est infiltrée pendant la saturation de l’éprouvette. Enfin, cette étude ouvre la voie à une meilleure compréhension des mécanismes de défor-mation thermique des enrobés. Elle fournit également des renseignements précieux sur la réponse des composants d’enrobé qui pourraient ultérieurement être utilisés pour modéliser plus précisément leur réponse thermique.

Étude du comportement en traction