REVUE DE LA LITTÉRATURE 1.1 Les enrobés bitumineux et ses constituants
1.1.6 Les granulats .1 Généralités .1 Généralités
1.1.6 Les granulats 1.1.6.1 Généralités
Un granulat représente un ensemble de particules de matière solide, provenant de roches meubles ou consolidées ou de matériaux recyclés. Au Québec, les granulats utilisés actuellement dans les enrobés bitumineux sont tous issus de l’un des trois types de roches qui forment la croûte terrestre, soit des roches ignées, métamorphiques ou sédimentaires.
1.1.6.2 Caractéristiques
Les granulats fournissent à l’enrobé sa résistance au cisaillement, soit sa stabilité dimensionnelle (Moughabghab, 1994). En effet, les granulats de diverses classes dimensionnelles sont combinés afin d’obtenir un enrobé bitumineux au squelette granulaire compact, résistant à l’orniérage, sans être trop compact pour permettre l’insertion de volumes adéquats de bitume et de vides nécessaires à la durabilité de l’enrobé bitumineux. Au Québec, les granulats, composants les enrobés, peuvent être désignés, de gros granulats (GG, particules de tailles > 5mm, classes 5-10 et 10-14mm), de granulats fins (GF, particules de taille < 5mm) et de filler minéral (FM, particules de taille < 630µm) (BNQ, 2002). Également, les granulats sont sélectionnés afin de répondre aux caractéristiques spécifiques de la couche bitumineuse à mettre en œuvre.
1.1.6.3 Caractérisation
Au Québec, la qualité des granulats est évaluée sur la base de leurs caractéristiques intrinsèques, de fabrication et complémentaires (BNQ, 2002 ; MTQ, 2007a). Le niveau de qualité exigé pour les granulats est fonction :
• du type de route (autoroute, collectrice, etc.),
• du niveau d’exposition au trafic (nombre de véhicules), • du climat (pluie, cycles de gel-dégel, etc.).
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À cet effet, les granulats de la couche de surface sont nettement plus exposés aux intempéries que ceux composant l’enrobé d’une couche de base. Le Tableau 1.3 présente la majorité des caractéristiques évaluées au Québec sur les granulats utilisés pour la confection des enrobés bitumineux.
Tableau 1.3 Essais de caractérisation pour les granulats des enrobés bitumineux Adapté de BNQ (2002, p. 12, 13, 57 et 58)
Caractéristiques Équipement principal Exigence Granulat
A GG GF FM B Int ri n s-èqu
es Résistance à l’usure, à l’attrition Micro-Deval LC 21-070*LC 21-101* X X Résist. fragmentation, abrasion, chocs Los Angeles LC 21-400* X
Résistance à la friabilité Micro-Deval LC 21-080* X
Fabric- ation
Fragmentation C --- LC 21-100* X
Particules plates Gabarits,
vernier LC 21-265* X Particules allongées X C omp lém-ent aire s
Propreté (particules < 80µm) D Tamis CSA-A23.2-5A** X
Teneur en mottes d’argile E Tamis CSA-A23.2-3A** X
Teneur en particules < 5µm F Hydromètre BNQ, 1987 X
Coefficient d’écoulementG Cône LC 21-075* X
Coefficient de polissage par projection H Jet d’abrasifs LC 21-102* X
Es
sentie
lles
***
Granulométrie Tamis LC 21-040* X X X
Densités et absorption mailles ou Panier à pycnomètre
LC 21-065* X
LC 21-066* X
LC 21-067* X
A GG : gros granulats (> 5mm) ; GF : granulats fins (< 5mm) ; FM : filler minéral (< 630 µm).
B Il ne doit pas contenir de matières organiques et avoir un indice de plasticité supérieur à 4 (ASTM, 2009).
C Pourcentage de particules ayant au moins une face fragmentée.
D S’applique à chaque classe granulaire.
E Effectué sur le retenu du tamis 80µm à l’issue d’un lavage.
F Pourcentage établi par rapport au tamisât du tamis 5mm.
G Pour les gros granulats de caractéristiques intrinsèques de catégorie 1 ou 2 (couche de surface).
H Pour les granulats utilisés dans les couches de roulement et unique. * Exigences regroupées dans MTQ (2013).
** Exigences regroupées dans CSA (2004).
*** Essentielles pour la formulation de l’enrobé bitumineux (MTQ, 2005).
Caractéristiques intrinsèques ‒ Les caractéristiques intrinsèques d’un granulat sont reliées
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comprennent les résistances à l’usure, à la fragmentation et aux agents atmosphériques, notamment leurs propriétés mécaniques et pétrographiques. Les granulats riches en minéraux argileux, ferromagnésien, tendres ou d’altération sont sensibles à l’usure, à l’attrition (Chevassu, 1969 ; Robert, 2010). En général, plus le minéral constituant la roche est dur3, comme le quartz et le feldspath, meilleure est sa résistance à l’usure, à l’attrition. Notamment, les granites, volcanites, trapps et certains grès donnent de bons résultats. Les calcaires ont une performance variant de bonne à passable selon s’ils contiennent ou pas des
minéraux argileux. En outre, les roches à grains fins résistent bien aux chocs4, à la
fragmentation, ce qui n’est pas le cas pour les roches à grains grossiers. Il faut mentionner que la production, la mise en place et le compactage des enrobés génèrent un frottement et des chocs mutuels entre les particules, ce qui génèrent leur usure et leur fragmentation (Robert, 2010). Également, une bonne résistance aux chocs est recherchée afin de résister à la dégradation générée par les pneus avec ou sans crampons (clous) (Aïtcin et coll., 1992). Bien que la résistance aux cycles de gel et dégel ne soit pas évaluée, il est couramment admis que les granulats qui présentent de bonnes caractéristiques intrinsèques résistent bien aux cycles de gel-dégel (Langlois, 2001). Les granulats sont également peu sensibles aux effets climatiques comme le gel et sont généralement résistants aux éléments chimiques rencontrés sur une chaussée comme le sel de déveglaçage (Corté et coll., 2004).
Caractéristiques de fabrication ‒ Ces caractéristiques vont plutôt dépendre de
l’exploitation et du processus de production des matériaux, tel que l’angularité (bien arrondie, arrondie, subarrondie, subangulaire ou angulaire) et la forme des particules (cubique, allongée ou aplatie) (Aïtcin et coll., 1992). Ces caractéristiques sont donc modifiables, dans une certaine mesure, en jouant sur les procédés d’exploitation et d’élaboration. Le procédé de fragmentation permet d’augmenter l’angularité des particules. Plus exactement, les grains anguleux, plutôt que ceux arrondis, améliorent l’angle de
3 La dureté d’un minéral est sa capacité de se laisser rayer par un autre minéral ou matière. La dureté est établie en se référant à l’échelle de Mohs.
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frottement interne, la résistance à l’orniérage des enrobés bitumineux et l’adhérence pneu-chaussée (Corté et coll., 2004). Les particules plates et allongées risquent de se fragmenter lors de la production, de la mise en place et du compactage des enrobés et plus tard, sous l’effet du trafic (Corté et coll., 2004).
Caractéristiques complémentaires ‒ Ces caractéristiques sont nécessaires pour s’assurer
que les granulats répondent à des besoins particuliers pour l’usage prévu : bétons, enrobés, etc. Plus spécifiquement, ces caractéristiques sont celles qui ont une incidence sur la performance de l’enrobé, mais qui ne sont pas pris en compte lors de la classification des granulats. Pour les gros granulats, l’essai de propreté5 (Tableau 1.3) quantifie par lavage la teneur en particules inférieures à 80µm. La quantité de particules inférieures à 80µm doit être limitée car celles-ci, salissent, adhèrent aux plus grosses. Alors, ces particules fines (< 80µm) peuvent créer un écran entre le bitume et les granulats générant ainsi une faible adhérence (ou adhésivité active) entre les deux. Par ailleurs, l’essai de détermination de particules inférieures à 5µm permet de quantifier la teneur en argile (Tableau 1.3). L’argile adhère facilement aux granulats et couvre une surface importante en raison de la dimension très faible de ces particules, ce qui affecte également le lien bitume-granulat (adhésivité active). De plus, en présence d’eau, l’argile possède un caractère gonflant et une affinité avec celle-ci, ce qui est néfaste pour la stabilité et la durabilité des enrobés. L’état de surface lié à la pétrographie, la porosité et la microrugosité des particules ne peuvent être facilement déterminés par une mesure directe (Corté et coll., 2004). Cependant, l’écoulement de granulats fins au travers d’un cône, soit la détermination du coefficient d’écoulement (Tableau 1.3), permet d’apprécier l’effet combiné de la forme, l’angularité, l’état des arêtes (vives ou émoussées) et la rugosité de surface (lisse ou rugueuse) des particules minérales (Corté et coll., 2004). Plus le coefficient d’écoulement est élevé, plus le matériau est
5 Pour cet essai, il n’y a pas de distinction effectuée entre les particules fines non adhérentes (libres) de celles qui ne le sont (adhérentes) avec les plus grosses. Toutefois, il serait préférable de mesurer la quantité de particules qui adhèrent aux granulats. Notamment, il semble que les gros granulats ne devraient pas contenir plus de 0,4% de fines adhérentes (Picard, 2001).
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anguleux et rugueux, augmentant ainsi l’adhérence bitume-granulat, l’angle de frottement interne et la résistance à l’orniérage de l’enrobé bitumineux. De plus, le coefficient de polissage par projection (Tableau 1.3) est déterminé après avoir fait la projection d’un flux d’eau et d’abrasifs sur des particules minérales de calibre 5-10mm. Ensuite, le coefficient de frottement est mesuré à l’aide du pendule britannique. Le principe de l’essai est de fournir une mesure relative caractérisant l’état limite de polissage des gros granulats à l’action du trafic. Ceci permet de quantifier, dans une certaine mesure, l’adhérence résiduelle pneu-chaussée après polissage afin d’assurer la sécurité des usagers.
Autres caractéristiques ‒ Ces caractéristiques sont nécessaires à la formulation des enrobés. 1.1.7 Les vides dans l’enrobé bitumineux
1.1.7.1 Généralités
Les vides (interstitiels) constituent les espaces laissés libres entre les granulats enrobés dans l’enrobé bitumineux compacté (MTQ, 2005). Dans les enrobés, les vides sont relativement grossiers, de l’ordre du millimètre, soit d’un diamètre moyen compris entre 0,3 et 1,9mm (Masad et coll., 2002, 2006 ; Torres, 2004 ; Mercado, 2007 ; Kassem, 2008 ; Mauduit et coll., 2010 ; Walubita et coll., 2012 ; Alvarez et coll., 2012).
1.1.7.2 Caractéristiques
Les vides (interstitiels) affectent grandement la performance et la durabilité de l’enrobé (Moughabghab, 1994). En effet, au niveau de l’orniérage, il est nécessaire d’avoir une teneur en vides : 1) d’au maximum de 9 à 10%, sinon l’enrobé est sous compacté et susceptible à un tassement par post-compactage liés au passage des véhicules (orniérage par consolidation) ; 2) d’au moins 2%, sinon l’enrobé est surcompacté et est susceptible au ressuage du bitume et à la déformation viscoplastique lors du passage des véhicules, soit à l’orniérage par fluage (Lamothe, 2004 ; Meunier, 2012). Au niveau de la rigidité et de la résistance à la fatigue, la hausse de la teneur en vides s’effectue au détriment de ses propriétés (Moutier et coll., 1988 ;