On peut distinguer 6 grandes familles de chaussée, présentées sur la figure C-I-3 : o les chaussées souples : les matériaux ne sont pas traités au liant ;
o les chaussées semi-rigides épaisses : les matériaux sont traités avec un liant hydraulique ;
o les chaussées rigides : elles sont réalisées en béton de ciment ;
o les chaussées bitumineuses épaisses : les matériaux sont traités au liant hydrocarboné (bitume) ;
o les chaussées à structure mixte : elles combinent une couche traitée au liant hydraulique et une couche au liant hydrocarboné ;
o les chaussées à structure inverse : elles combinent une couche traitée au liant hydraulique, une couche au liant hydrocarboné et une couche non traitée.
Chaussée souple – Assise non traitée Chaussée semi-rigide épaisse – Assise en grave hydraulique
Chaussée rigide – Assise en béton Chaussée bitumineuse épaisse – Assise en grave bitume
Chaussée à structure mixte Chaussée à structure inverse
Figure C-I- 3 : Familles d’assises de chaussée [LCP et al., 94]
La répartition des charges sur le sol dépend du type d’assise : il peut y avoir concentration pour les chaussées souples jusqu’à diffusion pour les chaussées rigides.
1.Dalle ou béton armé
2.Béton maigre ou béton bitumineux
3. Plate-forme support
(10 à 20 cm)
( ~ 12 cm) (15 à 50 cm)
Le choix du type de chaussée se fait principalement en fonction de l’usage futur. A titre d’exemple, les chaussées souples à assise non traitée se déforment verticalement de l’ordre de 1 à 3 mm alors que les chaussées rigides à assise traitée ne se déforment verticalement que de 0 à 0,5 mm. Dans les deux cas, lors du passage de la charge, le sol se déforme mais pour les chaussées rigides à assise traitée, la charge sur le sol est mieux répartie et les effets plus limités. Les chaussées souples sont donc plutôt adaptées aux routes peu circulées par les poids lourds contrairement aux chaussées rigides à assise traitée [LOR, 05].
Après avoir choisi la structure de la chaussée la plus adaptée à l’usage que l’on veut faire, le dimensionnement est basé sur le guide SETRA/LCPC [LCP et al., 94]. Il consiste à définir la nature et l’épaisseur des différentes couches, afin de s’assurer d’un fonctionnement optimal pendant toute la durée de service de l’ouvrage. L’ordre de grandeur de la durée de vie d’une chaussée souple est de 15 à 20 ans, celle d’une chaussée rigide de 20 à 30 ans [TRA, 10].
Nous allons nous intéresser plus particulièrement au cas des couches d’assise comportant des matériaux traités au liant hydraulique, qui est adapté dans le cas de sols peu ou pas argileux. On peut choisir entre des graves ou des sables traités. Les graves traitées sont utilisables dans tous les cas ; l’utilisation des sables traités se fait en fonction du trafic et des performances possibles [JEU et al., 91].
Le traitement au liant hydraulique est très répandu car on peut utiliser des matériaux de qualité médiocre, inutilisables dans le cas de réalisation de grave non traitée. En effet, le traitement au ciment permet de renforcer la structure du sol puisque l’hydratation et la prise du ciment créent un réseau de silicates. On peut également prévoir au préalable un traitement à la chaux ; il permet d’abaisser la plasticité et de rendre l’action du ciment plus efficace. Un tel traitement peut permettre d’obtenir des couches de forme très performantes et même des couches de fondation pour des chaussées à trafic modéré [BER, 01].
Les chaussées « semi-rigides » ou traitées au liant hydraulique, comme cela est présenté sur la figure C-I-3, sont constituées d’une couverture bitumineuse mince (moins de 15 cm), parfois réduite à un simple enduit superficiel, et d’une ou plusieurs couches de matériaux traités. L’épaisseur globale de la chaussée est comprise entre 30 et 60 cm.
Même si on peut employer des matériaux peu résistants ou peu performants, il faut tout de même assurer des performances mécaniques minimales.
Il est tout d’abord important de connaître les effets des contraintes extérieures que vont subir ces matériaux. Les principaux modes de dégradation d’une structure de chaussée sont présentés sur la figure C-I-4.
Il s’agit de la compression répétée pouvant induire de l’orniérage et de la traction répétée par flexion aux interfaces.
Figure C-I- 4 : Mécanisme de fonctionnement d’une chaussée et principaux modes de dégradation La méthode de dimensionnement consiste à schématiser la route par un modèle dans lequel les matériaux sont représentés par leurs propriétés élastiques et à modéliser la charge provenant du trafic [BAU et al, 79]. Par un calcul de résistance des matériaux, on obtient pour cette charge des paramètres de déformations et de contraintes. Pour caractériser un matériau, on a donc besoin des éléments suivants :
- ses caractéristiques élastiques : module d’Young et coefficient de Poisson (fixé à 0,25 pour des graves traitées aux liants hydrauliques [LCP et al., 94]) ;
- ses propriétés limites, pour le mode de destruction envisagé.
La prise en compte du module permet de représenter le comportement réversible sous une charge dans la méthode de calcul pour le dimensionnement.
Les couches traitées étant très rigides, la contrainte verticale sur le sol support est très faible ; le critère de dimensionnement va alors porter sur la contrainte de traction par flexion à la base des couches traitées. Dans la pratique, l’essai de fatigue est un essai long et coûteux, c’est pourquoi le processus à suivre pour caractériser les matériaux d’un point de vue mécanique est de mesurer la résistance à la traction directe Rt . Cette simplification est possible car la résistance à la traction
directe Rt est voisine de la moitié de la résistance à la flexion Rf et la résistance à 10 6
cycles est environ moitié de la résistance au premier chargement [JEU et al., 91].
Pour caractériser les matériaux et tenir compte des contraintes de traction par flexion auxquelles ils sont soumis, il faut donc enregistrer le couple E-Rt (E est pris au tiers de la charge de rupture).
Les critères de dimensionnement pour des chaussées neuves d’assise traitée au liant hydraulique sont [LCP et al., 94] :
- rupture par fatigue à la base des couches liées : σt à base des couches < σ admissible ;
- orniérage du support :
déformation verticale entre les couches et le sol support εz < εz admissible.
Différentes couches de chaussée assimilées à des poutres en flexion
Traction répétée par flexion : fatigue donc risque de rupture Compression répétée : risque d’orniérage
Charge (véhicule)
traction compression σ
La méthode générale de dimensionnement est présentée en annexe.
On peut également noter que l’interface couche de surface - couche de base est une zone sensible car elle subit de fortes contraintes normales et de cisaillement horizontal.
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2.1. Etat des connaissances
Dans cette étude, deux types de matériaux traités aux liants hydrauliques ont été réalisés : des sables (STLH) et des graves (GTLH). Les sables traités appartiendront à la classe granulaire 0/2 et les graves traitées à celle 0/20. Les sédiments traités Novosol® vont être introduits en remplacement d’une partie du sable utilisé pour fabriquer ces matériaux traités. A titre de comparaison pour les futures analyses, des matériaux témoins qui ne comprendront pas de sédiment seront également réalisés.
D’autres travaux, que nous allons présenter ci-après, ont déjà porté sur l’incorporation de sédiments traités dans les couches d’assise de chaussée ; nous nous sommes basés sur ce « patrimoine » pour choisir les compositions. Il ne s’agit donc pas de réaliser une étude technologique mais d’utiliser les résultats existants afin de partir sur des compositions déjà optimisées. Dans ce chapitre, seul l’aspect qualitatif des compositions sera abordé ; l’aspect quantitatif fera l’objet du chapitre C-II.
Deux autres études sur l’incorporation de sédiments traités Novosol® dans les couches d’assise nous ont permis de choisir nos compositions : celle du projet DEMOROUTE [JAC, 05] et celle de Nguyen [NGU, 08], déjà présentées dans la partie A.
On rappelle que le projet DEMOROUTE a conduit à la construction d’un plot routier expérimental intégrant des sédiments Novosol® dans une couche d’assise construite avec un sable traité au liant hydraulique. Les différents composants sont le sédiment Novosol®, un sable calcaire de Void 0/6 et un liant routier Roc SG. Cette étude a été menée en collaboration avec Eurovia, qui a participé à la formulation des matériaux traités et qui a réalisé la construction de la planche d’essai. Ceci a permis de bénéficier du savoir-faire d’une entreprise routière concernant la mise au point des formulations et la réalisation sur chantier.
Nguyen [NGU, 08] a mis au point des formulations optimisées pour des sables et des graves traités de façon à pouvoir introduire le plus possible de sédiments traités dans les couches d’assise. En raison de la situation géographique différente de celle du projet DEMOROUTE, les composants utilisés ne sont pas les mêmes.
Pour les STLH, Nguyen [NGU, 08] a utilisé, outre le sédiment Novosol®, un sable siliceux de Garonne 0/4 et un liant routier ROLAC 425.
Pour les GTLH, des granulats siliceux alluvionnaires de Garonne ont été utilisés (sable 0/4, gravillons 4/10 et 10/20) ainsi que le liant routier ROLAC 425.
Pour cette étude, nous nous sommes basés sur les compositions précitées mais nous avons apporté quelques modifications concernant le choix des composants.
Pour le liant, nous avons préféré utiliser un liant hydraulique « classique », un CEM I 52,5R. L’avantage que présente ce liant vient de sa composition. Il contient au minimum 95% de clinker Portland, le reste correspondant à des constituants secondaires (fillers) ; contrairement aux CEM II ou aux liants routiers, aucun ajout n’y est présent. Ainsi, les interactions éventuelles entre les
différents composants sont réduites lors de l’utilisation d’un CEM I et cela nous permettra de pouvoir prétendre à une meilleure compréhension des mécanismes réactionnels.
Pour les choix des granulats, il se fait en fonction de la classe granulaire désirée pour les MTLH. Pour les STLH, toujours dans le souci d’apporter le moins de « pollution » extérieure par la biais des autres composants que le sédiment, nous avons choisi d’utiliser un sable siliceux normalisé AFNOR disponible au laboratoire de classe granulaire 0/2. Pour appartenir à la même classe granulaire, le sédiment traité utilisé pour la confection des STLH sera le « sédiment PC 0/2 », présenté dans la partie B. Pour les GTLH, nous avons choisi de réaliser des GTLH 0/20. Les granulats utilisés sont des granulats de Garonne. La granulométrie du sédiment PC appartient à la classe 0/20 (cf chapitre B-I), il n’est donc pas nécessaire de le broyer.
On rappelle également que les compositions sont réalisées conformément aux normes mais qu’il ne s’agit pas de faire leur optimisation.