Formulation du diagnostic

- Calcul de la profondeur d’ornière 𝑤 (

)

𝑚𝑚

Le positionnement du point représentatif calculé ci-dessus à savoir le rapport ⁄ et la profondeur d’ornière 𝑤 sur l’abaque de la figure 3.4, montre que ledit point se trouve au-dessus de la courbe limite de variation de la profondeur d’ornière en fonction du rapport ⁄ .

Conformément à la méthode d’auscultation, la position du point traduit un état non satisfaisant de la chaussée.

5.3.4.3.2 Evaluation de la portance résiduelle

La portance résiduelle est évaluée à partir de la valeur du rapport ⁄ qui dans notre cas d’étude est égal { ; donc la portance du cas analysé est considérée comme suffisante.

5.3.4.3.3 Formulation du diagnostic

Par confrontation de l’état non satisfaisant du tronçon avec la portance résiduelle jugée suffisante, les causes probables des d’gradations sont les suivantes :

- l’épaisseur de revêtement hydrocarboné est insuffisant ; - faiblesse des couches de la structure.

En définitive, nous retenons de cette évaluation de la structure de la chaussée : - une diminution de la durée de vie de la chaussée ;

- un état d’endommagement non satisfaisant causé soit par une insuffisance de l’épaisseur du revêtement ou une faiblesse des couches inférieures ;

- les désordres enregistrés sont en partie les signes de l’inadaptation de matériaux des différentes couches qui, engendre des déformations permanentes sous l’effet conjugué des sollicitations induites par le trafic.

Présenté par TONFFOUSSIE A. Stéphane 71 Chapitre 6: Les enrobés bitumineux

Les Enrobés bitumineux utilisés dans les chaussées routières sont des matériaux à faible pourcentage de vide résultant d'un mélange de composants minéraux que sont les granulats et d’un liant hydrocarboné qui est généralement le bitume.

Suivant la procédure de fabrication, la couche { laquelle est destiné l’enrobé, on distingue différents types d’enrobés bitumineux illustrés sur la figure ci-dessous.

Figure 6.1:Les différents types d'enrobés bitumineux

 BBME : Béton Bitumineux Module Elève ;

 BBA : Béton Bitumineux Aéronautique ;

 BBSG : Béton Bitumineux Semi Grenu ;

 BBM : Béton Bitumineux Mince ;

 BBTM : Béton Bitumineux Très Ultra Mince ;

 BBUM : Béton Bitumineux Ultra Mince ;

 EME : Enrobé à Module Elevé ;

 GB : Gave Bitume.

Présenté par TONFFOUSSIE A. Stéphane 72 6.1 Les enrobés bitumineux à module élevé

Apparus en France il y a une trentaine d’années, les enrobés { module élevé (EME) initialement conçus pour des usages en renforcement des chaussées, se sont majoritairement développés dans les agglomérations où le trafic lourd était important.

Les Enrobés bitumineux à module élevé sont des enrobés hydrocarboné à chaud caractérisés par un module de rigidité relativement plus élevé que celui de la grave bitume. Les caractéristiques et les propriétés mécaniques des enrobés bitumineux sont fonction de la granulométrie des composants minéraux, de la qualité du liant (pénétrabilité, température de ramollissement), teneur en liant et de la teneur en vides du mélange.

6.2 Les composants de base

Un mélange bitumineux est constitué principalement de composants minéraux (agrégats, de fines d'apport), de liant hydrocarboné et éventuellement des dopes d'adhésivité

.

6.2.1 Les composants minéraux

Les agrégats constituent le squelette du mélange et assure en grande partie sa stabilité. Ils représentent plus de en poids de l’enrobé, Le choix des composants minéraux est important et il affecte directement les caractéristiques mécaniques et les performances du mélange bitumineux.

La provenance pétrographique est la base de différenciation des composants minéraux.

- Les roches éruptives proviennent de la solidification de la matière en fusion (granite, basalte,…). Elles se présentent sous la forme de massifs et constituent en général de bons matériaux pour la construction routière.

- Les roches sédimentaires sont issues de la lente superposition des dépôts. Leur qualité est variable, les roches siliceuses (sables, grès,…) convenant en général pour les usages routiers.

- Les roches métamorphiques résultent du changement de la nature des roches sédimentaires sous l’effet de la pression et de la température. Ce sont en général de bons matériaux routiers.

La provenance des composants minéraux peut varier :

- Extraction { partir d’une roche mère compacte en carrière : il s’agit alors de matériaux concassés.

Présenté par TONFFOUSSIE A. Stéphane 73 - Creusage d’un gisement de type gravière, alluvion fluviale ou lacustre : on parle dans ce cas de matériaux roulés ou semi-concassés.

Les granulats sont classifiés en différentes classes granulaires selon la taille des éléments. Une classe granulaire (𝑑 ) est répertoriée par la taille du plus petit grain 𝑑 et du plus gros grain , toutes deux exprimées en 𝑚𝑚. On distingue les classes provient du dépoussiérage de granulats ou de la production industrielle par mouture de roche. Le filler a une surface spécifique très élevée et il absorbe une part importante du liant ; son rôle dans le mélange est de combler les vides, de contribuer à une répartition uniforme du liant dans le mélange, d'absorber une grande partie des huiles volatiles du liant ralentissant ainsi son vieillissement. Le mélange filler et liant constitue le mastic qui confère sa stabilité { l’enrobé.

Différentes caractéristiques et performances des granulats peuvent être évaluées selon les exigences :

6.2.1.1 Analyse granulométrique ( ) 6.2.1.1.1 Définition et but

L’analyse granulométrique est un essai dont le but est de déterminer les proportions pondérales de grains de différentes dimensions.

6.2.1.1.2 Principe

Le principe consiste à tamiser une masse 𝑚 telle que 𝑚 de granulat sec préalablement lavée sur une série de tamis à maille carrée, de dimensions d’ouverture décroissantes et { peser le refus sur chaque tamis.

Les pourcentages ainsi obtenus sont exprimés sous forme d’un graphique appelé courbe granulométrique qui est la courbe de variation du pourcentage de passant en fonction de la dimension de tamis.

6.2.1.2 La dureté

La dureté est appréciée par la fragmentation dynamique ( ) et le Micro-deval en présence d’eau ( )

Présenté par TONFFOUSSIE A. Stéphane 74 6.2.1.2.1 La fragmentation dynamique

La fragmentation dynamique permet de mesurer la résistance { l’abrasion d’un échantillon de granulat. L’essai consiste { mesurer la quantité d’éléments inférieurs à 𝑚𝑚 produits en soumettant le matériau aux chocs d’une masse normalisée.

6.2.1.2.2 Micro Deval en présence d’eau

Le micro deval permet de déterminer l’usure d’un granulat sous l’effet de frottements. L'essai consiste à introduire des granulats dans le cylindre de la machine MDE, avec de l’eau et des billes de taille normalisée équivalente { celle des gravillons.

Lors de la rotation du cylindre, les gravillons frottent sur les billes. La masse des éléments inférieurs à 𝑚𝑚 { la fin de l’essai donne la résistance { l’usure du granulat.

6.2.1.3 Masse Volumique Réelle ( ) 6.2.1.3.1 But de l’essai

Cet essai vise à déterminer la masse et le volume de la prise d’essai et { calculer sa masse volumique réelle (rapport masse/volume).

6.2.1.3.2 Principe

Le principe consiste { calculer la masse en pesant l’échantillon après avoir séché { l’étuve. Le volume est déterminé { partir du poids du volume d’eau déplacé par les particules sèches dans un pycnomètre de volume connu.

6.2.2 Le liant hydrocarboné

Le bitume est définit comme une matière organique naturelle, visqueuse et noire, provenant de la distillation du pétrole brut et utilisé pour le revêtement des chaussées.

Le rôle assuré par le bitume dans le mélange est de participer à la stabilité, assurer en grande partie la durabilité du mélange. Il enrobe les agrégats imperméabilise la masse.

Le bitume est un matériau thermoplastique, c’est-à-dire qu’il conserve ses propriétés après chauffage et que sa consistance varie avec la température. Cette modification de la consistance sur une large gamme de températures est particulièrement exploitée dans la construction routière. Solides à température ambiante, les liants bitumineux doivent être chauffés afin de modifier leur consistance lors de la fabrication et de la pose de l’enrobé. Une autre propriété fondamentale exigée d’un liant hydrocarboné est son pouvoir adhérent en présence d’un granulat minéral.

Les principaux constituants du bitume sont :

Présenté par TONFFOUSSIE A. Stéphane 75 - le carbone ( ) ;

- l’hydrogène ( )

On note également la présence de faibles quantités : - d’oxygène ( ) et d’azote ( s ’ ) ;

- ainsi que des traces de nombreux métaux (fer, vanadium, nickel, aluminium, silicium, …).

Les caractéristiques fondamentales d’un liant bitumineux sont les suivantes :

- La viscosité : A la température d’enrobage des granulats, le bitume se comporte pratiquement comme un liquide newtonien car sa viscosité dynamique est constante (indépendante du niveau de contrainte et de la vitesse de déformation). Le bitume doit avoir une viscosité suffisamment faible pour garantir un bon enrobage des granulats.

- L’adhésivité : L’adhésivité mécanique est la force par unité de surface nécessaire pour rompre l’assemblage liant-granulat. Une bonne adhésivité est capitale car elle permet d’enrober les granulats et de les lier. Si l’adhésivité n’est pas suffisante, elle peut être améliorée par l’utilisation d’un adjuvant appelé « dope d’adhésivité ».

- La cohésion : La cohésion est une qualité importante qui empêche le bitume de se désunir trop facilement sous l’effet des sollicitations subies.

La masse volumique du bitume est généralement constante et égale à 𝑡 𝑚 , et son identification est liée aux essais de caractérisation suivants :

- pénétrabilité du bitume à ;

- point de ramollissement bille et anneau du bitume.

6.2.2.1 Essai de pénétrabilité du bitume ( )

6.2.2.1.1 Définition et but

La pénétrabilité est un essai de classification de bitumes ; elle classe les bitumes selon des intervalles de valeurs de profondeurs correspondants { la pénétration d’une aiguille normalisée qui s’effectue suivant des conditions prescrites de température, de charge et de durée d’application de la charge.

Présenté par TONFFOUSSIE A. Stéphane 76 6.2.2.1.2 Principe de l’essai

L’essai consiste { mesurer la profondeur de pénétration d’une aiguille de référence dans l’échantillon d’essai conditionné qui n’est rien d’autre que le bitume.

Pour des pénétrations inférieures ou égales à ( 𝑚𝑚) on a : - température de l’essai ;

- charge appliquée 𝑔 ;

- durée d’application de la charge : secondes.

Pour des pénétrations supérieures { cette limite, la température d’essai devra être de tandis que la charge et durée de pénétration restent inchangées.

6.2.2.2 Essai de ramollissement Bille et Anneau ( ) 6.2.2.2.1 Définition et but

La température de ramollissement est la température à laquelle le bitume se ramolli en d’autres termes, c’est la température { laquelle le bitume se trouve dans un état plus ou moins solide.

6.2.2.2.2 Principe d’essai

Deux disques horizontaux de bitume, moulés dans des anneaux de laiton à épaulement, sont chauffés dans un bain liquide avec un taux d'élévation de la température contrôlé, alors que chacun soutient une bille d'acier. La température de ramollissement notée doit correspondre à la moyenne des températures auxquelles les deux disques se ramollissent suffisamment pour permettre à chaque bille, enveloppée de liant bitumineux, de descendre d'une hauteur de 𝑚𝑚.

6.2.3 Les additifs

Les additifs sont destinés à améliorer les propriétés de l’enrobé ; il peut s’agir : 6.2.3.1 Des dopes d’adhésivité

Pour améliorer l’affinité réciproque entre le liant et les granulats et en assurer la pérennité, des dopes d’adhésivité peuvent être utilisés. Il s’agit principalement de composés tensioactifs azotés dérivés des acides gras (amines, polyamines…) dosés à environ à du bitume. La chaux ou les fines calcaires, dosées jusqu’{ du bitume, peuvent également être utilisées comme agents dopants.

Présenté par TONFFOUSSIE A. Stéphane 77 6.2.3.2 Des polyéthylènes

Les déchets de polyéthylène sont souvent un mélange de polyéthylène de haute et basse densité. Lors de la fusion voisine de , le polyéthylène se combine en partie avec le bitume. Le dosage est habituellement compris entre et , par rapport aux granulats. La proportion de polyéthylène par rapport au bitume, peut ainsi varier entre et .

Ils sont Issus de déchets de câble, de broyage de bouteilles de lait, de films polyéthylène.

6.2.3.3 Des polymères

Un polymère est une substance constituée de macromolécules dont la structure est caractérisée par la répétition d'un ou plusieurs motifs monomères. Les polymères sont des ajouts largement utilisés dans le domaine routier grâce à leur efficacité et leur avantage qu'ils fournissent aux enrobés bitumineux. Ils se présentent sous forme de granulés incorporés lors du malaxage du mélange.

6.3 Méthodes de formulation

La formulation a pour objectif de déterminer la composition optimale de granulats, de liants et de vide d’un mélange d’enrobé afin de résister aux sollicitations mécaniques et climatiques sur l’ensemble de la durée de vie de la chaussée.

Nombreuse sont les méthodes de formulation d’enrobé ; nous décrivons par la suite brièvement quelques-unes des méthodes les plus connues.

6.3.1 Méthode belge de formulation

Le Centre de Recherches Routières belge a développé une méthode de formulation des enrobés bitumineux qui se caractérise par le fait qu’elle soit basée sur un calcul analytique de la composition volumique; l’utilisation d’un essai en laboratoire n’est justifiée que comme moyen de vérification des valeurs déterminées par la formulation volumique. La méthode élaborée traite essentiellement les mélanges à squelette sableux et les mélanges à squelette pierreux. Le diagramme ci-dessous nous présente la distinction squelettique traitée par cette méthode.

Présenté par TONFFOUSSIE A. Stéphane 78

Figure 6.2:Situation des variantes EME à squelette pierreux et sableux dans le triangle de Richardson (7)

La procédure de formulation développée se décompose en trois phases :

 Phase 1 - Choix et caractérisation des matériaux : le choix des composants du mélange est d’une grande importance pour les résultats et les performances de l’enrobé. Il est important de connaître les caractéristiques physiques des agrégats (granulométrie, dureté, propreté, etc.) et du liant (pénétration, susceptibilité thermique).

 Phase 2 – Formulation : Les données issues de la première phase sont utilisées ainsi que la définition de la courbe granulométrique cible et ses limites. Pour la formulation, le pourcentage de vides à atteindre ou la teneur en liant cible peuvent être choisis. La composition en volume puis en masse est ensuite calculée (pierre, sable, filler, bitume).

 Phase 3 – Essais : L’utilisation d’essais en laboratoire permet de vérifier les résultats obtenus lors de la formulation analytique. Si nécessaire, la formulation (composition et/ou matériaux) sera corrigée jusqu’{ l’obtention d’une composition en adéquation avec les exigences.

Nous résumons l’algorithme de formulation de la méthode belge sur la figure ci-dessous.

Présenté par TONFFOUSSIE A. Stéphane 79

Figure 6.3: Structure de la méthode belge de formulation des enrobés bitumineux (7)

6.3.2 Le Marshall mix design ou méthode Marshall

Développée dans les années par Bruce Marshall, la méthode vise à choisir la teneur en liant pour une certaine densité du mélange qui satisfait à une stabilité minimale et un fluage évoluant dans un intervalle d’acceptation.

La procédure de formulation est la suivante :

 Choix des agrégats

Les matériaux doivent satisfaire les propriétés physiques conformément aux prescriptions. La combinaison des différentes tailles d’agrégats doit permettre d’obtenir une courbe granulométrique aussi proche que possible de la courbe de référence.

 Choix du liant

A ce niveau, il n’existe pas une procédure de sélection et d’évaluation normalisée.

Son choix est alors laissé { l’ingénieur qui devra réaliser les essais qu’il juge nécessaire pour le guider.

Présenté par TONFFOUSSIE A. Stéphane 80

 La préparation des échantillons

Les échantillons sont fabriqués dans des moules normalisés. Typiquement on prépare ou mélanges avec des teneurs en liant différentes, et pour chaque mélange, échantillons. Les échantillons sont ensuite compactés { l’aide de la dame Marshall selon des règles bien précises.

 Détermination de la stabilité et du fluage

Une fois compactés les échantillons sont soumis à un essai de stabilité et fluage.

La stabilité est la force maximale que peut supporter l’échantillon et le fluage est la déformation plastique qui s’ensuit. Ces deux valeurs sont en quelque sorte des mesures permettant de prévoir la performance de l’enrobé.

 Calcul de la densité et des vides

Ici on détermine les caractéristiques du mélange que sont : la densité et les vides.

 Choix de la teneur en liant optimale

Il est fait à ce niveau, une représentation de l’évolution du pourcentage de vides, de la densité, du fluage, de la stabilité, des vides du squelette minéral et des vides remplis par le bitume en fonction de la teneur en liant.

La teneur idéale en liant est obtenue en faisant la moyenne des teneurs en bitume qui ont donné la stabilité maximale, la masse volumique maximale et la teneur en vides désirée. Tout cela se fait graphiquement { l’aide des courbes issues des essais réalisés sur les échantillons.

6.3.3 Méthode Française de formulation

La méthode française de formulation se caractérise par une approche basée le plus possible sur les performances du mélange.

Les considérations volumétriques étant fondées sur la presse à cisaillement giratoire qui est un des piliers de la méthode. La méthode de formulation s’effectue en deux étapes :

 La détermination de la quantité minimale de liant

La détermination de la quantité de liant est fonction de la granulométrie du mélange. En effet en se basant sur l’approche codifiée en France qui veut que pour toute composition granulométrique, on puisse définir une quantité minimale de liant nécessaire pour assurer sa durabilité, sur la base de la granularité, on établit une estimation de la surface spécifique des granulats selon l’expression :

Présenté par TONFFOUSSIE A. Stéphane 81

La détermination la teneur en liant pour un bon enrobage des granulats est fonctions de cette surface spécifique et est définie par :

√∑ Avec :

- Coefficient correcteur relatif à la masse volumique des granulats, avec MVRg la masse volumique des granulats ;

- le coefficient de proportionnalité K, qui est une indication de l’épaisseur du film de bitume autour des granulats, et est appelé le Module de richesse.

 Essai à la presse à cisaillement giratoire

Cet essai vise à estimer le comportement lors du compactage du mélange déterminé. Il urge pour la réalisation de l’essai une quantité prédéterminée du mélange hydrocarbonée, portée { la température usuelle de fabrication en centrale que l’on placera dans un moule cylindrique de 𝑚𝑚 de diamètre.

Le compactage s’obtient par l’action simultanée d’une :

- force de compression statique assez faible de ;

- d’une déformation de l’éprouvette { laquelle on n’impose que son axe longitudinal décrive une surface conique de révolution.

L’interprétation de l’essai est faite en considérant les valeurs de pourcentages de vides obtenues après girations et après un nombre girations dépendant de l’enrobé.

Après les girations, il est spécifié une fourchette de valeur fonction des besoins en performance de l’enrobé considéré.

6.4 Essais de performance dans les études de formulation

La caractérisation des performances d’enrobé se fait à travers des essais. Nous définissons un essai de performance comme un essai dont les résultats permettent d’évaluer le comportement dans le temps et sous sollicitations de l’enrobé. Ces essais font référence à une performance de l’enrobé, et sont réalisés dans l’optique du contrôle de performances du mélange bitumineux formulé.

Présenté par TONFFOUSSIE A. Stéphane 82 6.4.1 Essai Duriez ou essai de compression simple (NF EN 12697-12)

L’essai Duriez ne permet pas d’avoir une propriété intrinsèque du matériau mais juste un moyen d’appréciation de façon indirecte de la tenue { l’eau. Pour cet essai, l’énergie de compactage utilisée pour la confection des éprouvettes est obtenue par une compression double effet de l’enrobé { l’intérieur d’un moule cylindrique. Les éprouvettes ainsi confectionnées sont conservées :

- Les unes à pendant s { l’air libre - Les autres à pendant jours dans l’eau

Au bout de ce délai, les éprouvettes sont écrasées à une vitesse constante en compression simple et l’on obtient :

- La résistance des éprouvettes conservées { l’air : - La résistance des éprouvettes conservées dans l’eau : 𝑟

Le rapport 𝑟 appelé rapport d’immersion/compression traduit en quelque sorte la tenue { l’eau de l’enrobé.

6.4.2 Essai d’orniérage (NE EN 12697-33+A1 et NF EN 12697-22+A1)

L’essai d’orniérage sert { l’étude des enrobés pour chaussées à trafic lourds. Il permet d’apprécier la résistance { l’orniérage des couches de roulement et des couches de base soumises au trafic lourd, et cela dans des conditions avoisinant celles rencontrées sur les chaussées.

Le corps d'épreuve est une plaque parallélépipédique de 𝑐𝑚 ou de 𝑐𝑚 d'épaisseur, selon que l'épaisseur de mise en œuvre de l'enrobé est inférieure ou supérieure à 5 cm.

Cette plaque est soumise au trafic d'une roue équipée d'un pneumatique (fréquence : 𝑧, charge: 𝑘 , pression: bars), dans des conditions sévères de

Cette plaque est soumise au trafic d'une roue équipée d'un pneumatique (fréquence : 𝑧, charge: 𝑘 , pression: bars), dans des conditions sévères de

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