enrobés en laboratoire
1.3.2 Méthodes expérimentales pour la caractérisation du com- com-portement thermique des enrobéscom-portement thermique des enrobés
Cette section passe en revue les principales méthodes expérimentales utilisées pour ca-ractériser les performances des enrobés vis-à-vis des sollicitations thermiques.
Figure 1.10 – (a) Illustration du principe de l’ATCA ; (b) l’éprouvette à retrait empêché, (c) l’éprouvette libre, et (d) l’éprouvette libre après la rupture [27].
Asphalt Thermal Cracking Analyser (ATCA)
Ce dispositif représente une version améliorée de l’essai classique du retrait thermique empêché TSRST (Thermal Stress Restrained Specimen Test) dont l’idée de l’élaboration remonte à l’année 1965 [26]. La version améliorée de cet essai est développée par Bahia et al. [27] et désignée comme l’analyseur de la fissuration thermique des enrobés (en anglais Asphalt Thermal Cracking Analyser ATCA).
L’essai sert à étudier les performances des enrobés vis-à-vis des fissurations à basses tempéra-tures. Il consiste à tester simultanément deux échantillons d’enrobé ; un échantillon à retrait empêché et l’autre avec des extrémités libres. L’échantillon libre est utilisé pour mesurer la variation des propriétés volumiques en fonction de la température, comme la température de transition vitreuse (Tg) et les coefficients de contraction thermique (αl) et (αg) au-dessus et dessous de Tg respectivement. L’échantillon à déformation empêchée est utilisé pour mesurer l’accumulation des contraintes thermiques induites en raison de la contraction empêchée. Dans ce dispositif, les deux éprouvettes sont issues du même échantillon, et toutes les deux sont exposées au même régime de température. Le dispositif est représenté schématiquement sur Fig. 1.10a et des photos prises en cours d’essai sont présentées sur Fig. 1.10b-d. La figure 1.11 montre des résultats de sortie typiques obtenus à partir du système ATCA lorsque la température est diminuée à une vitesse de 1°C/min de 30 à -70°C. Le système ATCA permet la mesure de la déformation (Fig. 1.11a) et la contrainte thermique (Fig. 1.11b) durant la
Figure 1.11 – Résultats expérimentaux typiques issus de l’ATCA, (a) mesure de la tempé-rature de transition vitreuse de l’enrobé, (b) la mesure de l’accumulation de contraintes et la rupture, (c) le cyclage thermique et (d) la réponse en contrainte durant le conditionnement isotherme [27].
diminution de la température. Le système permet également d’effectuer plusieurs variétés d’essais tels que le cyclage thermique (Fig. 1.11c) et la mesure de la relaxation de contrainte thermique (Fig. 1.11d).
L’essai le plus couramment effectué avec ce système est l’essai de relaxation des contraintes thermiques [28, 29, 30] qui consiste à diminuer la température de la chambre climatique avec un taux de refroidissement contrôlé (0.1 à 1°C/min), pour atteindre un palier de tempéra-ture donné. La températempéra-ture de la chambre climatique et de l’échantillon sont rigoureusement contrôlées à l’aide des thermocouples placés dans la chambre climatique et à l’intérieur des éprouvettes. Lorsque la température cible est atteinte, celle-ci est maintenue constante pour une durée de 2h à 10h, et l’accumulation des contraintes et les déformations thermiques sont mesurées continuellement. Les résultats sont ensuite utilisés pour tracer les courbes de contrainte thermique comme fonction de la température du cœur, ainsi qu’en fonction du temps durant la partie isotherme de la courbe (Fig. 1.11d).
Les résultats de l’ATCA peuvent également être utilisés pour calculer d’autres propriétés per-tinentes des enrobés à basse température, notamment le module de relaxation. L’intégrale de convolution de module de relaxation peut être résolue numériquement en utilisant les mesures de l’ATCA. Les deux côtés de l’équation sont différenciés dans le domaine temporel pour éliminer l’intégrale. Les données de contrainte thermique (provenant de l’éprouvette à déformation empêchée) et de déformation thermique (provenant de l’éprouvette libre) sont utilisées pour retrouver le module de relaxation. La Fig. 1.12 illustre un exemple de la courbe d’évolution du module de relaxation en fonction de la température, calculée à partir des
Figure 1.12 – Résultats de l’ATCA et calcul de la courbe du module de relaxation [27].
mesures issues ATCA.
Asphalt Concrete Cracking Device (ACCD)
Le système ACCD a été développé comme alternative au dispositif TSRST (Thermal Stress Restrained Specimen Test) qui présente un certain nombre de limitations : un coût élevé, une complexité de la mise en œuvre, un nombre limité d’échantillons qui peuvent être testés à la fois et une durée importante du processus de préparation de l’essai et des échan-tillons. L’essai ACCD fournit des informations similaires sur la performance de fissuration à basse température des enrobés bitumineux que celle de TSRST. L’essai est relativement récent et les résultats initiaux ont montré une très bonne corrélation avec ceux du TSRST ([31] cité dans [32]).
Un exemple d’un tel dispositif, utilisé dans [33], est illustré sur Fig. 1.13. Les échantillons testés ont une forme annulaire présentant une encoche pour maîtriser l’emplacement de la fissure. Le principe de l’essai se base sur le fait que le coefficient de contraction thermique de l’acier invar est inférieur au coefficient de contraction thermique de l’échantillon de l’enrobé. Ainsi un anneau d’acier invar qui est placé au centre de l’échantillon d’enrobé à 20°C subit des contraintes de la part de celle-ci lorsque la température diminue (l’échantillon enserre l’an-neau cf Fig. 1.14). L’ensemble (l’échantillon et l’anl’an-neau invar) est placé dans une enceinte climatique et la température est baissée graduellement avec un taux bien défini. L’échan-tillon est équipé avec des thermocouples qui enregistrent continuellement la température. La pression radiale exercée par l’échantillon sur l’anneau induit des déformations radiales et tan-gentielle dans l’anneau. Une jauge de déformation est placée sur l’anneau (agencée de sorte que l’emplacement de la jauge de déformation coïncide avec l’emplacement de l’encoche) pour mesurer la déformation tangentielle (cf Fig. 1.13a). Connaissant les propriétés mécaniques de l’anneau, on peut remonter à la valeur de la pression exercée par l’échantillon sur celui-ci. La pression exercée par l’anneau augmente avec la diminution de la température et exerce
Figure 1.13 – Anneau ACCD placé à l’intérieur d’un échantillon d’enrobé entaillé [33].
Figure 1.14 – (a) Anneau ACCD soumis à une pression externe P et (b) échantillon d’enrobé à soumise à une réaction de l’anneau (une pression interne P) [33].
des contraintes de traction sur le disque d’enrobé jusqu’à ce qu’il rompe à l’endroit corres-pondant à l’encoche.
Pour une éprouvette sans entaille, la contrainte de tangentielle varie selon l’épaisseur de l’échantillon, le maximum se produisant à la surface intérieure du l’échantillon et le mini-mum se produisant à sa surface extérieure. Cependant, la présence de l’encoche a entraîné une concentration des contraintes à la pointe de l’encoche. Ainsi les contraintes générées à l’encoche ne peuvent pas être déterminées expérimentalement car le facteur de concentra-tion de contrainte n’est pas connu. Un modèle d’éléments finis de la géométrie du mélange anneau-enrobé permet de déterminer le facteur de concentration des contraintes à la pointe de l’encoche (égale à 1,8 pour la géométrie illustrée sur Fig. 1.13).