h heure min minute s seconde d jour sem semaine
Énergie, travail, quantité de chaleur
J Joule Puissance kW kilowatt Contrainte, pression MPa mégapascal kPa kilopascal Pa pascal Fréquence Hz hertz Force kN kilonewton N newton Force électromotrice V volt
Résistance et conductance électriques
INTRODUCTION
Les chaussées bitumineuses s’adaptent bien à la plupart des conditions de trafic. Sur les 29 000km de routes gérés par le ministère des Transports du Québec (MTQ), 94% sont constituées de chaussées bitumineuses, 4% de chaussées en béton de ciment et le reste étant des chaussées non revêtues en matériaux granulaires (Transports Québec, 2010). Au Québec, le revêtement bitumineux repose habituellement sur une structure constituée de matériaux granulaires non liés qui reposent à leur tour sur le terrain naturel. Notamment, une large proportion des chaussées québécoises est localisée dans la vallée du St-Laurent dont le terrain naturel est constitué de dépôts d’argile et de silt souvent sensibles au gel (St-Laurent, 2012). Également, au Québec, pendant l’hiver, le gel progresse jusqu’à une profondeur de 1,2 à 3,0m, ce qui est nettement supérieur à l’épaisseur moyenne de 0,9m de la structure globale de la chaussée bitumineuse. Alors, le terrain naturel est soumis au gel, qui est susceptible de produire des lentilles de glace, ce qui se traduit par un gonflement et des soulèvements différentiels du revêtement bitumineux. Ensuite, la chaussée est soumise à des dégels partiels en période hivernale et à un dégel complet au printemps. Dès lors, la glace se transforme en eau, ce qui engendre des pertes de capacité portante des matériaux et pouvant conduire à des dégradations importantes à la chaussée. En effet, des relevés dans les pistes de roues, pendant trois ans sur deux sites d’observation au Québec, indiquent qu’en moyenne 90% des dommages annuels se produisent lors de ces dégels (Transports Québec, 2003a). Cet endommagement est directement relié aux conditions sévères qui prévalent dans la chaussée pendant la période de gel et dégel. Ces conditions sont :
1) précipitations de pluie et fontes de neige générant une saturation partielle des matériaux bitumineux et de la structure de chaussée (sollicitations climatiques) ;
2) présence de sel déverglaçant liée à l’entretien hivernale (sollicitations chimiques) ; 3) passages de véhicule lourd (sollicitations mécaniques) ;
4) variations de températures engendrant la création de déformations et de contraintes au sein du revêtement en raison des dilatations-contractions thermiques de celui-ci (sollicitations climatiques) ;
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5) présence de cycles de gel-dégel générant la création de pressions internes en raison de la formation de glace (sollicitations climatiques).
Bien que l’ensemble de la chaussée soit affecté par ces conditions, le présent ouvrage se concentre tout singulièrement sur l’influence de ces conditions sur l’endommagement et le comportement mécanique de l’enrobé bitumineux composant le revêtement. À cet effet, le premier chapitre effectue une revue de la littérature portant sur deux grands thèmes. Primo, cela porte sur les sollicitations externes (mécaniques, climatiques et chimiques) qui prévalent au Québec en période de gel et dégel, et qui dégradent l’enrobé bitumineux. Secundo, il est question des caractéristiques physiques de l’enrobé bitumineux qui affectent sa durabilité, ses comportements mécaniques (viscoélastique linéaire et en fatigue) et thermomécaniques (coefficient de dilatation-contraction thermique).
Par ailleurs, un minutieux travail expérimental de laboratoire a été réalisé en vue de vérifier l’influence des conditions sévères sur la dégradation et le comportement de l’enrobé bitumineux. Ce travail expérimental a été réalisé au sein du Laboratoire des Chaussées et Matériaux Bitumineux (LCMB) de l’École de technologie supérieure (ETS). Plus particulièrement, le second chapitre est consacré à la présentation de ce programme expérimental. Il présente l’enrobé bitumineux testé, la préparation des éprouvettes d’enrobé, les conditions sévères retenues, les dispositifs expérimentaux et les différents types d’essais réalisés.
Le troisième chapitre traite des essais thermiques réalisés sur les éprouvettes d’enrobé bitumineux. Lors de ces essais thermiques, l’étude porte sur l’incidence de :
1) l’état (sec et partiellement saturé) de l’enrobé bitumineux ;
2) la présence de sel de déverglaçage (saumures à diverses concentrations) ; 3) les variations de température (Δθ) ;
4) les cycles de gel et dégel (GD) sur l’évolution des propriétés (variations thermiques et déformations linéiques) de l’enrobé bitumineux.
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Ensuite, les éprouvettes d’enrobé sont soumises à des essais mécaniques, de faibles amplitudes de déformation et sous chargement cyclique sinusoïdal, afin d’évaluer l’évolution de leur rigidité et en conséquence, l’évolution de leur endommagement suite aux essais thermiques qui incluent des cycles de gel et dégel. Plus précisément, il s’agit d’essais de module complexe qui caractérise le comportement de l’enrobé dans le domaine viscoélastique linéaire. À cet effet, le quatrième chapitre est consacré à l’analyse des résultats expérimentaux de ces essais. Ensuite, les résultats expérimentaux et le modèle rhéologique 2S2P1D sont utilisé afin de simuler le comportement de l’enrobé bitumineux selon les divers états : sec et partiellement saturé en eau ou en saumure. Cela permet d’évaluer l’effet de ces liquides et leur transformation en glace sur le comportement de l’enrobé bitumineux.
Le cinquième chapitre est consacré à l’étude du comportement à la fatigue de l’enrobé bitumineux suivant deux états : sec et partiellement saturé en eau. La comparaison des modules initiaux, des droites de fatigue (valeurs des pentes et ε6) et des dommages menant à la rupture de l’enrobé bitumineux est effectuée. L’utilisation d’un essai de fatigue dit homogène et de la méthode DGCB permettent de se soustraire assez aisément aux effets biaisant (thixotropie du bitume, non linéarité et échauffement de l’enrobé bitumineux) afin d’obtenir la perte de rigidité attribuable essentiellement à l’endommagement par fatigue. Ceci permet de définir un dommage menant à la rupture du matériau qui est indépendant de l’amplitude de déformation. Ainsi, le dommage menant à la rupture est intrinsèque au matériau. Pour plus de rigueur, ce dommage a été mis en relation avec la teneur en vides du matériau.
Ensuite, la conclusion effectue un retour succinct sur les résultats des essais réalisés dans le cadre du programme expérimental, soient des essais thermiques, de module complexe et de fatigue. De plus, les causes à l’origine des résultats expérimentaux sont exposées.
Pour terminer, des recommandations sont proposées afin d’améliorer le programme expérimental et la qualité des mesures.
CHAPITRE 1
REVUE DE LA LITTÉRATURE