Stabilisation thermique des infrastructures routières
construites sur pergélisol sensible au dégel à l’aide de
surface à albédo élevé
Mémoire
Caroline Richard
Maîtrise en génie civil
Maître ès sciences (M. Sc.)
Stabilisation thermique des infrastructures routières
construites sur pergélisol sensible au dégel à l’aide de
surface à albédo élevé
Mémoire
Caroline Richard
Sous la direction de :
Guy Doré, directeur de recherche
R
ÉSUMÉ
La construction d’infrastructures en milieu nordique affecte inévitablement l’équilibre thermique du pergélisol. D’abord, la géométrie du remblai modifie le système naturel de drainage et l’étendue du couvert neigeux. Également, l’excavation ou l’ajout de matériaux fait varier les propriétés thermiques et la capacité de la surface à absorber ou à réfléchir la radiation solaire. Aussi, les impacts des changements climatiques sur les températures moyennes de l’air et sur la fréquence et l’intensité des précipitations ont des conséquences directes sur la stabilité du pergélisol, et, par conséquent, sur les capacités structurales des infrastructures.
La conception de chaussées doit être adaptée dans le but de maintenir la sécurité et la fonctionnalité pour la durée de vie prévue de la route. Une solution envisagée est l’application de revêtements à albédo élevé afin de limiter la chaleur absorbée par la radiation solaire sous les remblais routiers. Des sections utilisant des surfaces à albédo élevé ont été construites et instrumentées afin d’évaluer leurs performances thermiques.
L’approche développée par modélisation numérique utilisant le logiciel TEMP/W (GeoStudio) a permis d’atteindre les objectifs de recherche suivants: proposer une méthode de stabilisation thermique basée sur l’albédo de la surface et simuler l’effet de la hauteur du remblai sur le régime thermique du sol. L’analyse des résultats des simulations permet de calculer un albédo de surface recommandé pour stabiliser le pergélisol. L’approche de stabilisation se base sur un décalage thermique requis pour obtenir un gradient de température nul entre la température à l’interface remblai/sol naturel et la température du pergélisol. Un gradient de température nul ou négatif indique que l’apport de chaleur induite sous le remblai est égal ou plus faible à l’extraction de chaleur. Ainsi, la température du sol naturel reste constante ou diminue. Une validation du modèle est présentée pour le cas du site d’étude de Beaver Creek.
A
BSTRACT
The construction of transport infrastructure in northern environments inevitably affects the thermal balance of permafrost. First, the geometry of the embankment leads to changes of the drainage pattern and the snow cover extents. Furthermore, excavation or addition of materials modifies the thermal properties and the capacity of the surface to absorb or to reflect solar radiation. Also, impacts of global warming, such as rising average air temperatures and changes in the frequency and intensity of precipitation, have a direct impact on the stability of permafrost and, thus, on the structural capacities of infrastructure.
The design of pavement built on permafrost must be adapted to maintain safety and functionality for the expected lifetime of the road. One of the proposed solutions is the application of high albedo coatings to limit heat absorbed by solar radiation underneath the embankment. As part of the project, road sections were constructed using high albedo surfaces and instrumented to evaluate the thermal performance.
Numerical modelling using GeoStudio’s TEMP/W software was developed to accomplish the twofold research objectives: to propose a thermal stabilization method based on the albedo of the surface, and to simulate the effect of embankment height on the thermal regime of the soil. Simulations allow the modelling of heat exchange in a soil column, and, through analyzing the results, an equivalent surface albedo that can stabilize the natural soil can be calculated. The stabilization approach is based on a required temperature gradient, which is the difference between the interface temperature and the permafrost temperature. A zero or negative temperature gradient indicates that heat induced underneath the embankment is equal to or lower than heat extracted. Therefore, temperature of the natural soil remains constant or decreases. A validation of the model is presented for the Beaver Creek study site.
T
ABLE DES MATIÈRES
Résumé ... iii
Abstract ... iv
Table des matières ... v
Liste des tableaux ... vii
Liste des figures ... viii
Liste des abréviations et des sigles ... xiii
Remerciements ... xvi
Introduction ... 1
Problématique ... 1
Objectifs du projet de recherche ... 2
Structure du document ... 2
... 4
Revue de la littérature ... 4
1.1 Pergélisol ... 4
1.2 Modes de transfert de chaleur ... 10
1.3 Propriétés thermiques ... 13
1.4 Température superficielle du revêtement routier ... 16
1.5 Conception de remblai routier en zone de pergélisol ... 18
1.6 Revêtement à albédo élevé ... 20
1.7 Pertinence du projet de recherche ... 28
... 29
Sites expérimentaux et instrumentation ... 29
2.1 Description des produits ... 29
2.2 Description de l’installation des sections d’essais ... 32
... 54
Description de la méthode expérimentale ... 54
3.1 Réflectance du revêtement (ASTM E1918, 2006) ... 54
3.2 Micro texture du revêtement (ASTM E303, 1993) ... 56
3.3 Macro texture du revêtement (ASTM E965, 1996) ... 58
3.4 Site d’étude près de Burwash Landing, Yukon ... 59
3.5 Site d’étude au Site Expérimental Routier de l’Université Laval ... 62
3.6 Site d’étude à Salluit ... 68
3.7 Évolution de l’albédo ... 69
3.8 Conclusion ... 70
4.1 Section d’essai près de Burwash Landing, Yukon ... 72
4.2 Section d’essai au SÉRUL ... 77
4.3 Section d’essai à Salluit ... 81
4.4 Conclusion ... 84
... 86
Modèle thermique ... 86
5.1 Description du site d’étude de Beaver Creek ... 87
5.2 Méthode des éléments finis ... 93
5.3 Propriétés thermiques des matériaux utilisées ... 94
5.4 Configuration du modèle ... 96
5.5 Types d’analyses ... 97
5.6 Conditions aux limites ... 98
5.7 Validation du modèle ... 102
5.8 Conclusion ... 106
... 107
Approche de stabilisation thermique ... 107
6.1 Approche de modélisation ... 108
6.2 Données climatiques simplifiées ... 111
6.3 Résultats des simulations ... 115
6.4 Présentation d’un abaque ... 120
6.5 Conclusion ... 122 ... 124 Discussion ... 124 7.1 Modèle thermique ... 126 7.2 Travaux additionnels ... 127 Conclusion ... 129 Bibliographie ... 131
L
ISTE DES TABLEAUX
Tableau 1.1 : Propriétés thermiques de l’eau, de la glace et de l’air (Konrad, 2015). ... 14
Tableau 1.2 : Valeurs typiques du facteur-n utilisées en ingénierie (Doré et Zubeck, 2009). ... 18
Tableau 2.1 : Température annuelle moyenne de l’air du site de Beaver Creek. ... 33
Tableau 2.2 : Données annuelles climatiques à Beaver Creek et à Burwash en comparaison avec le climat normal. ... 34
Tableau 2.3 : Taux de pose des revêtements à albédo élevé au site de Burwash Landing. ... 37
Tableau 2.4 : Distance entre la surface de chaussée et le centre de chacun des capteurs de température. ... 52
Tableau 2.5 : Taux de pose des revêtements à albédo élevé à Salluit. ... 53
Tableau 3.1 : Informations relatives aux mesures de l’albédo sur la route de l’Alaska. ... 59
Tableau 3.2 : Informations relatives à l’essai au pendule britannique au site de Burwash Landing (mai 2016). ... 62
Tableau 3.3 : Adhérence mesurée par le BPN des surfaces du site expérimental de Burwash Landing (mai 2016). ... 62
Tableau 3.4 : Informations relatives aux mesures de l’albédo au SÉRUL. ... 63
Tableau 3.5 : Détermination du facteur de forme pour les sections situées au SÉRUL. ... 64
Tableau 3.6 : Informations relatives au test du pendule britannique (7 août 2015). ... 65
Tableau 3.7 : Adhérence mesurée par le BPN des surfaces situées sur le traitement de surface au SÉRUL (7 août 2015). ... 66
Tableau 3.8 : Adhérence mesurée par le BPN des surfaces situées sur l’enrobé bitumineux au SÉRUL (7 août 2015). ... 66
Tableau 3.9 : Macro texture des surfaces situées sur le traitement de surface au SÉRUL (29 juillet 2015). ... 67
Tableau 3.10 : Macro texture des surfaces situées sur l’enrobé bitumineux au SÉRUL (29 juillet 2015). . 67
Tableau 3.11 : Informations relatives aux mesures de l’albédo à Salluit. ... 68
Tableau 5.1 : Propriétés thermiques des matériaux utilisées pour la modélisation correspondant au site de Beaver Creek. ... 96
Tableau 6.1 : Températures annuelles moyennes de l’air et du sol des sections témoin et L-BST du site de Beaver Creek. ... 109
Tableau 6.2 : Calcul de la radiation solaire pour le cas de Beaver Creek, latitude de 62,4°. ... 113
L
ISTE DES FIGURES
Figure 1.1 : Régime thermique du pergélisol (Burn, 2013). ... 5
Figure 1.2 : Distribution du pergélisol au Canada (Heginbottom et al., 1995). ... 7
Figure 1.3 : Distribution du pergélisol au Yukon (Yukon Permafrost Network, 2011). ... 7
Figure 1.4 : Distribution du pergélisol au Québec (Allard et Lemay, 2012). ... 8
Figure 1.5 : Anomalies thermiques globales pour chaque mois depuis 1880 (NASA, 2017). ... 10
Figure 1.6 : Modes de transfert de chaleur (Bergman et al., 2011a). ... 11
Figure 1.7 : Transfert de chaleur par conduction unidimensionnel (Bergman et al., 2011a)... 11
Figure 1.8 : Transfert de chaleur par convection (Bergman et al., 2011a). ... 12
Figure 1.9 : Transfert de chaleur par rayonnement : (a) à la surface et (b) entre la surface et le milieu (Bergman et al., 2011a). ... 13
Figure 1.10 : Schéma du bilan d’énergie à la surface d’un revêtement routier (Hermansson, 2004). ... 16
Figure 1.11 : Structure de chaussée typique pour les routes construites en région de pergélisol (Doré et Zubeck, 2009). ... 19
Figure 1.12 : Schéma d’une structure de chaussée pendant la période estivale après plusieurs cycles saisonniers (McGregor et al., 2010). ... 19
Figure 1.13 : Ligne du temps représentant les études nordiques portant sur les revêtements à albédo élevé. ... 21
Figure 1.14 : Profondeur de dégel sous la voie de circulation de l’aéroport de Thulé (Fulwider et Aitken, 1962). ... 22
Figure 1.15 : Profondeur de dégel sous la piste de l’aéroport de Thulé (Fulwider et Aitken, 1962). ... 23
Figure 1.16 : Relevé au géoradar montrant la variation en profondeur du pergélisol (Jorgensen et Andreasen, 2007). ... 23
Figure 1.17 : Profondeur de dégel sous les sections installées sous la route Farmers Loop (Berg et Aitken, 1973). ... 24
Figure 1.18 : Influence de l’albédo sur le facteur-n des chaussées à Peger Road et Highway Test Section (Berg, 1985). ... 25
Figure 1.19 : Flux de chaleur cumulatif sous les sections témoins et sous la surface blanche (Reckard, 1985). ... 26
Figure 1.20 : Application du coulis sur la chaussée à Salluit (Voyer, 2009). ... 27
Figure 1.21 : Pavage terminé de la rue principale, Dawson, Yukon (Walsh et al., 2009). ... 28
Figure 2.1 : Ligne du temps représentant l’ordre chronologique d’installation des sites expérimentaux. .. 29
Figure 2.2 : Représentation du fonctionnement de l’enduit Perfect Cool (Iwama et al., 2012). ... 30
Figure 2.3 : Courbe granulométrique du sable de silice BARCO #71. ... 31
Figure 2.4 : Différence entre la moyenne mensuelle de la température de l’air et la normale climatique (1981-2010) de 2014 à 2016 à Beaver Creek et à Burwash Landing. ... 34
Figure 2.5 : Site expérimental de Burwash Landing (a) AP SG (16 septembre 2014) (b) A CG (20 mai 2016). ... 35
Figure 2.6 : Schéma du site d’étude situé près de Burwash Landing, dimensions en mètres. ... 36
Figure 2.7 : Mise en place de l’instrumentation de la section Bituclair (a) au centre de la voie (b) en bordure de chaussée (19 mai 2016). ... 37
Figure 2.8 : Installation du produit Bituclair (19 mai 2016). ... 38
Figure 2.10 : Différence entre la moyenne mensuelle de la température de l’air et la normale climatique
(1981-2010) de 2014 à 2016 à la Forêt Montmorency. ... 40
Figure 2.11 : Ligne du temps du site situé au SERUL pour l’année 2014. ... 41
Figure 2.12 : Installation de l’instrumentation au SERUL (a) trait de scie (b) trou pour accueillir les capteurs (c) pose de l’époxy (d) problèmes reliés à la pose de l’époxy (e) scellant pour enrobé et (f) gaines anti-rongeur. ... 42
Figure 2.13 : Installation de la section d’enrobé à froid au SERUL (a) retrait de la couche de BST (b) passage de la plaque vibrante (c) vérification de l’épaisseur minimale (d) section finale (e) vue rapprochée. ... 43
Figure 2.14 : Section d’enrobé à froid (a) 25 août 2014 (b) 2 octobre 2014. ... 43
Figure 2.15 : Schéma du site d’étude situé au SERUL, dimensions en mètres. ... 44
Figure 2.16 : Pose des produits Nippo au SERUL (a) abrasion de la surface d’époxy (b) nettoyage des plaques (c) disposition du produit (d) pose du produit (e) section sur l’enrobé bitumineux et (f) section sur le BST. ... 45
Figure 2.17 : Pose du produit Bituclair au SERUL (a) délimitation de la plaque (b) mélange du produit (c) section finale sur l’enrobé bitumineux. ... 45
Figure 2.18 : Ligne du temps du site situé au SERUL pour l’année 2015. ... 46
Figure 2.19 : Site expérimental de Salluit (1er septembre 2015). ... 48
Figure 2.20 : Enregistreur de température UTBI-001. ... 48
Figure 2.21 : Instrumentation (a) globale (b) poignée, bouchon et couvercle. ... 48
Figure 2.22 : Plan des tubes à capteurs, distance en pouces. ... 49
Figure 2.23 : Couvercles de la section témoin (haut) et des sections à albédo élevé (bas) (août 2015). .. 50
Figure 2.24 : Pavage de la route d’accès à l’aéroport de Salluit (a) vue globale (b) vue rapprochée (25 août 2015). ... 50
Figure 2.25 : Outils machinés (a) planche de bois (b) support pour maintenir la tige (26 août 2015). ... 51
Figure 2.26 : Instrumentation installée (a) sans couvercle (b) avec couvercle (27 août 2015). ... 52
Figure 2.27 : Schéma du site d’étude situé à Salluit, dimensions en mètres. ... 52
Figure 2.28 : Texture des enduits superficiels (a) A CG (b) Bituclair (1er septembre 2015). ... 53
Figure 3.1 : Dimensions du pyranomètre CMP3 (Kipp & Zonen, 2016). ... 54
Figure 3.2 : Facteur de forme pour des disques parallèles coaxiaux (Bergman et al., 2011b). ... 55
Figure 3.3 : Essai au pendule britannique au SÉRUL. ... 57
Figure 3.4 : Essai de la tache de sable au SERUL (juillet 2015). ... 58
Figure 3.5 : Albédo en fonction du temps des surfaces situées à Burwash Landing. ... 61
Figure 3.6: Albédo en fonction du temps des surfaces situées au SÉRUL... 65
Figure 3.7 : Essais de la tache de sable (a) sur le traitement de surface (b) sur l’enrobé bitumineux (29 juillet 2015). ... 67
Figure 3.8 : Albédo en fonction du temps des surfaces situées à Salluit. ... 69
Figure 3.9 : Évolution de l’albédo des surfaces revêtues protégées et non protégées. ... 70
Figure 4.1 : Historique des températures enregistrées par les capteurs situés à 5 cm sous la surface de la chaussée des sections situées à Burwash Landing pour les deux années de suivi, soit d’août 2014 à août 2016. ... 73
Figure 4.2 : Historique des températures enregistrées par les capteurs situés à 30 et 35 cm sous la surface de la chaussée des sections situées à Burwash Landing pour les deux années de suivi, soit d’août 2014 à août 2016. ... 73
Figure 4.3 : TAMS en fonction de la profondeur sous la chaussée des sections A CG, AP SG et témoin, située à Burwash Landing pour l’année 2015. ... 74
Figure 4.4 : Température moyenne du sol en fonction de la profondeur sous la chaussée des sections A CG, AP SG et témoin, situées à Burwash Landing pour les deux années de suivi, soit
d’août 2014 à août 2016. ... 75
Figure 4.5 : Facteurs-n5 cm calculés pour les sections A CG, AP SG et témoin situées à Burwash Landing pour les deux années de suivi, soit du 28 août 2014 au 22 août 2016. ... 76
Figure 4.6 : Historique des températures enregistrées par les capteurs situés à 5 cm sous l’enrobé bitumineux des sections situées au SÉRUL pour la période allant de septembre 2014 à octobre 2016. ... 78
Figure 4.7 : Historique des températures enregistrées par les capteurs situés à 5 cm sous le traitement de surface des sections situées au SÉRUL et de la section d’enrobé à froid pour la période allant de septembre 2014 à octobre 2016. ... 79
Figure 4.8 : Température moyenne du sol à 5 cm en profondeur pour la période du 8 septembre au 2 novembre 2014, du 14 mai au 9 octobre 2015 et du 30 juin au 5 octobre 2016. ... 80
Figure 4.9 : Facteurs-nt 5 cm* des sections d’essais situées au SÉRUL, calculés entre le 14 mai et le 9 octobre 2015. ... 80
Figure 4.10 : Historique des températures enregistrées par les capteurs situés entre 5 et 8 cm sous la surface de la chaussée des sections situées à Salluit pour la période allant de septembre 2015 à août 2016. ... 81
Figure 4.11 : Historique des températures enregistrées par les capteurs situés entre 76 et 92 cm sous la surface de la chaussée des sections situées à Salluit pour la période allant de septembre 2015 à août 2016. ... 82
Figure 4.12 : Température moyenne du sol en fonction de la profondeur sous la surface de la chaussée des sections situées à Salluit pour la période allant du 2 septembre 2015 au 25 août 2016. ... 83
Figure 4.13 : Facteur-n des sections installées à Salluit pour la période allant du 2 septembre 2015 au 25 août 2016. ... 84
Figure 5.1 : Schéma des 12 sections construites au site expérimental de Beaver Creek (M. Lepage, 2015). ... 88
Figure 5.2 : Profondeur des capteurs (a) section témoin et (b) section L-BST (M. Lepage, 2015). ... 89
Figure 5.3 : Régime thermique de la section témoin du site de Beaver Creek pour l’année 2009. ... 90
Figure 5.4 : Régime thermique de la section témoin du site de Beaver Creek pour l’année 2010. ... 90
Figure 5.5 : Température du sol à l’interface remblai et sol naturel de la section témoin pour la période de 2009 à 2012. ... 91
Figure 5.6 : Régime thermique de la section L-BST du site de Beaver Creek pour l’année 2010. ... 92
Figure 5.7 : Température du sol à l’interface remblai et sol naturel de la section L-BST pour la période de 2010 à 2012. ... 93
Figure 5.8 : Configuration du modèle thermique. ... 97
Figure 5.9 : Profil des températures du sol représentant les conditions initiales du modèle thermique. .... 98
Figure 5.10 : Utilitaire de calcul développé par Dumais (2014) présentant les valeurs de la condition limite supérieure. ... 99
Figure 5.11 : Températures de surfaces calculées à partir de la méthode d’analyse développée par Dumais (2014) comparées à la température de l’air, à la température du sol enregistrée par le capteur situé à 4,9 m, et à la température de surface calculée selon un facteur-n. ... 100
Figure 5.12 : Courbe des températures modélisées et enregistrées à 4,9 m dans le remblai. ... 101
Figure 5.13 : Températures superficielles du revêtement calculées par le modèle développé par Dumais (2014) en comparaison avec les températures du sol enregistrées par les capteurs situées le plus près de la surface. ... 102
Figure 5.14 : Profil thermique modélisé représenté par les courbes pointillées en comparaison avec le régime thermique enregistré de la section témoin du site de Beaver Creek pour l’année
2009. ... 103
Figure 5.15 : Courbe des températures modélisées pour une profondeur allant de 7,3 à 15 m sous le remblai routier (simulation ayant une température constante à la base). ... 104
Figure 5.16 : Courbe des températures modélisées pour une profondeur allant de 7,3 à 15 m sous le remblai routier (simulation ayant un flux constant à la base). ... 104
Figure 5.17 : Profil thermique modélisé ayant un flux constant comme condition limite inférieure représenté par les courbes pointillées en comparaison avec le régime thermique enregistré de la section témoin du site de Beaver Creek pour l’année 2009. ... 105
Figure 6.1 : Températures annuelles moyennes du sol en fonction de la profondeur sous les sections témoin (a) et L-BST (b) du site de Beaver Creek pour la période allant de 2009 à 2012. .. 109
Figure 6.2 : Radiation quotidienne extraterrestre pour une surface horizontale (Duffie et Beckman, 2013). ... 112
Figure 6.3 : Données mensuelles de radiation solaire extraterrestres calculées, données enregistrées par la station météorologique de Beaver Creek et données calculées à la surface de la Terre pour différents facteurs d’ennuagement. ... 114
Figure 6.4 : Utilitaire de calcul des températures superficielles d’un revêtement routier présentant les données climatiques utilisées pour la série de simulations ayant une TAMA de -4,9 °C (Dumais, 2014). ... 115
Figure 6.5 : Profil thermique présentant les résultats des simulations pour des hauteurs de remblai variant entre 1 et 5 m, pour un albédo de surface de 0,15 (haut) et 0,25 (bas), une température du pergélisol de -0,6 °C et une TAMA de -4,9 °C. ... 116
Figure 6.6 : Profil thermique présentant les résultats des simulations pour des hauteurs de remblai variant entre 1 et 5 m, pour un albédo de surface de 0,45, une température du pergélisol de -0,6 °C et une TAMA de -4,9 °C. ... 117
Figure 6.7 : Effet du décalage thermique à la surface en fonction de l’albédo de la surface pour différentes hauteurs de remblai. ... 118
Figure 6.8 : Températures annuelles moyennes modélisées à l’interface remblai/sol naturel selon différentes hauteurs de remblai et albédos de surface, pour un pergélisol à une température de -0,6 °C à 15 m de profondeur et un TAMA de -4,9 °C. ... 119
Figure 6.9 : Albédo de la surface permettant d’atteindre la stabilisation thermique pour un ΔTrequis selon différentes épaisseurs de remblai pour une température du pergélisol de -0,6 °C et une TAMA de -4,9 °C. ... 121
Figure 6.10 : Régressions linéaires présentant l’albédo de la surface en fonction d’un ΔTrequis selon différentes épaisseurs de remblai pour une température du pergélisol de -0,6 °C et une TAMA de -4,9 °C. ... 122
Figure A.1 : Informations relatives à la section 5 de la route de l’Alaska (Northern Climate ExChange, 2015) ... 136
Figure A.2 : Plan de la section expérimentale située au kilomètre 1786 de la route de l’Alaska ... 137
Figure A.3 : Procédure d’application du produit Perfect Cool au Yukon (26 au 28 août 2014). ... 138
Figure A.4 : Suite procédure d’application du produit Perfect Cool au Yukon (26 au 28 août 2014). ... 139
Figure A.5 : Procédure d’installation des câbles de capteurs de température (26 au 28 août 2014). ... 140
Figure A.6 : Suite Procédure d’installation des câbles de capteurs de température (26 au 28 août 2014). ... 141
Figure A.8 : Installation du poteau de bois (26 au 28 août 2014). ... 143
Figure B.1 : Installation de l’instrumentation à Tasiujaq le 23 septembre 2014 (Photo : Chantal Lemieux). ... 145
L
ISTE DES ABRÉVIATIONS ET DES SIGLES
α Diffusivité thermique /
Décalage thermique requis °
Déclinaison °
Nombre adimensionnel qui représente l’émissivité d’une surface Capacité de stockage thermique / ⋅ °
Masse volumique du sol /
Masse volumique sèche d’un sol /
Constante de Stefan-Boltzmann 5,67 10 ⁄ ⋅ Angle horaire lors du coucher du soleil °
Latitude °
Albédo
Nombre du pendule britannique Traitement de surface
Capacité thermique massique du sol / °
Capacité thermique massique des particules solides / ° Capacité thermique massique de l’eau / °
Capacité thermique massique de la glace / ° Capacité thermique massique de l’air / ° Diamètre intérieur du cylindre
Diamètre moyen du cercle obtenu Pouvoir émissif d’une surface / Facteur de forme
Indice de gel de l’air ° Indice de gel de surface °
G Constante solaire 1367 /
Hauteur du cylindre
Radiation solaire extraterrestre moyenne mensuelle /
Conductivité thermique / ⋅ °
Chaleur latente de fusion volumétrique d’un sol / ′ Chaleur latente de l’eau 333,7 /
Traitement de surface à granulats clairs Masse totale de sol
Fraction massique du sol (1/ ) , Fraction massique de l’eau (1/ )
Fraction massique de la glace (1/ ) Fraction massique de l’air (1/ ) Nombre d’heures d’ensoleillement nième jour de l’année
Facteur-n de gel Facteur-n de dégel
Flux thermique appliqué / Flux de chaleur par convection /
Flux de chaleur par la radiation infrarouge / Flux de chaleur par conduction vers le sol ⁄ Flux de chaleur par la radiation solaire / Flux de convection /
Température °
Temps
Température de l’air °
Température du pergélisol à la profondeur de l’amplitude annuelle nulle ° Température à l’interface remblai/sol naturel °
é Température du pergélisol °
Température au niveau du plafond du pergélisol ° Température de surface d’un solide °
Température annuelle moyenne du sol à la surface ° Température du fluide °
Température annuelle moyenne du sol ° Indice de dégel de l’air °
Indice de dégel de surface °
V Volume
Vitesse du vent /
Teneur en eau %
R
EMERCIEMENTS
La réalisation de ce mémoire a impliqué l’engagement et le soutien de plusieurs personnes, à qui je voudrais témoigner toute ma reconnaissance. En commençant, je tiens à exprimer ma gratitude et mes sincères remerciements à mon directeur de recherche, M. Guy Doré, pour son intérêt incontestable à la réussite de ses étudiants, au temps qu’il a consacré à mon projet et pour toutes les expériences enrichissantes qu’il a mises sur mon chemin. D’avoir entrepris un projet de maîtrise au sein de son équipe de recherche est l’une des meilleures décisions que j’ai prises.
Je remercie également Mme Chantal Lemieux pour sa patience, ses conseils et ses remarquables qualités humaines et professionnelles. Son travail a permis de créer des conditions favorables au déroulement des études. J’adresse également mes remerciements à M. Jean-Pascal Bilodeau pour sa disponibilité, son sérieux ambigu et son dévouement incontestable pour la recherche.
Je remercie chaleureusement toutes les personnes qui m’ont aidé à l’installation et au suivi des sites d’essais. Un merci particulier à Christian Juneau et Denis Jobin pour leur dévotion au bon déroulement du projet, pour l’intérêt qu’ils portaient en mes travaux et pour leurs idées ingénieuses qui ont grandement simplifié l’installation des sites. Merci à mes collègues étudiants pour l’aide apportée au bureau ou sur le terrain. Un merci particulier à Damien Grellet pour ses conseils judicieux et son écoute attentive, à Simon Dumais pour avoir alimenté ma réflexion et à Florence Lanouette d’être une inspiration et d’avoir partagé le repas du midi, suscitant de nombreuses discussions animées.
Merci aux partenaires ARQULUK d’avoir appuyé la réalisation de ce projet de recherche. Je tiens à exprimer mes remerciements à M. Masahiko Iwama de Nippo Corporation et Justin Suda de Gecan pour leur intérêt et leur soutien.
J’adresse mes sincères remerciements à tous mes proches et amis, particulièrement à mon conjoint Pier-Luc Montgrain, qui m’a toujours soutenue et encouragée au cours de ces dernières années. Je dédie ce mémoire à mon père, qui a œuvré pour ma réussite en m’inculquant des valeurs nobles et qui m’a appris le pouvoir de la force mentale à travers sa résilience.
I
NTRODUCTION
Problématique
Depuis l’avènement de la révolution industrielle, le climat de la Terre évolue différemment. Les tendances climatiques moyennes autrefois observées sont modifiées par les activités humaines et l’évolution de la démographie mondiale, qui contribuent aux émissions croissantes des gaz à effets de serre. Les conséquences du réchauffement climatique sont perceptibles partout dans le monde et sont devenues une préoccupation particulière. Les ingénieurs doivent s’adapter aux nouveaux défis que pose un rythme de changement climatique de plus en plus rapide, qui affecte particulièrement les régions nordiques.
Les infrastructures de transport construites en milieu nordique nécessitent l’utilisation de stratégies spécifiques pour constituer des projets viables. La conception d’un remblai routier ou la gestion d’une infrastructure déjà en place doit prendre en compte l’équilibre thermique du sol, puisque la construction de remblais sur un sol gelé modifie considérablement les propriétés au niveau de la surface. La recherche dans le domaine de l’ingénierie du pergélisol a permis de documenter l’état des routes et des pistes d’atterrissage partout dans l’hémisphère nord, particulièrement au Canada, en Alaska, au Groenland, en Chine et en Russie. La performance de différentes techniques de protection du pergélisol, structurales (augmentation de la taille de remblai, utilisation de géotextile) ou thermiques (couche isolante, remblai à convection d’air, thermosiphons, surfaces à albédo élevé) a été évaluée grâce à plusieurs projets de recherche. La recherche reste nécessaire afin d’appuyer l’implantation des stratégies d’adaptation étudiées et de faciliter une conception adaptée aux propriétés d’un site. Le projet de recherche s’inscrit dans le programme ARQULUK mis en place dans le but de préserver les infrastructures routières construites dans le Nord canadien. Il vise à développer des solutions techniques et rentables aux problèmes de comportement des chaussées en milieu nordique. La solution étudiée dans le cadre du projet est l’utilisation de surfaces réfléchissantes dans le but de limiter la chaleur absorbée par la radiation solaire sous les remblais routiers.
Objectifs du projet de recherche
L’objectif général du projet de recherche est de développer une méthode de stabilisation thermique des infrastructures routières construites sur un pergélisol sensible au dégel à l’aide de revêtements à albédo élevé. L’objectif général a été atteint en accomplissant les objectifs spécifiques suivants : 1. Synthétiser l’état des connaissances scientifiques sur le thème de la recherche afin de situer les
travaux.
2. Documenter les sites d’étude, la méthodologie de suivi et les essais effectués.
3. Documenter l’albédo des surfaces revêtues protégées et non protégées et son évolution dans le temps.
4. Mettre au point un modèle numérique validé à partir des données thermiques collectées aux sites expérimentaux du projet.
5. Établir la relation entre la hauteur du remblai, l’albédo de la surface et le gradient thermique dans le sol d’infrastructure à l’aide du modèle numérique.
6. Mettre au point un outil de calcul de l'albédo requis pour assurer la stabilité thermique d'un ouvrage en fonction de l’épaisseur du remblai.
Structure du document
Le document est composé de 7 chapitres. D’abord, une revue de la littérature est disponible au chapitre 1 et présente un état des connaissances sur le pergélisol, les principaux modes de transfert de chaleur, les propriétés thermiques des sols gelés, la conception d’un remblai routier en zone de pergélisol, les revêtements à albédo élevé et la température superficielle d’un revêtement. Le chapitre 2 expose la méthode expérimentale et inclut une description des différents produits étudiés et de l’installation des sections d’essais.
Les chapitres 3 et 4 présentent respectivement les performances mécanique et thermique des revêtements. Le chapitre 3 décrit les essais sélectionnés pour mesurer la réflectance et évaluer la micro texture et la macro texture d’un revêtement routier dans le but d’exposer leurs propriétés
techniques. Également, le chapitre 3 présente et analyse les résultats des essais sélectionnés et effectués sur les chaussées revêtues protégées, où des revêtements à albédo élevé ont été appliqués aux surfaces non protégées, nommées sections témoins. Le chapitre 4 évalue et compare la performance thermique des revêtements à albédo élevé appliqués aux différents sites d’essais aux sections exemptes de technique de protection à l’aide des données enregistrées par les capteurs de température situés sous la chaussée.
Le chapitre 5 présente le développement et la validation du modèle thermique développé dans le cadre du projet. Il comprend une description du site d’étude de Beaver Creek ainsi qu’une brève présentation de la méthode par éléments finis. De plus, les propriétés thermiques des matériaux utilisées sont exposées, de même que les conditions initiales et les conditions aux limites imposées. Le chapitre 6 porte sur l’approche de la stabilisation thermique et l’utilisation du modèle et décrit l’utilisation de données climatiques simplifiées, l’effet du décalage thermique et les résultats d’une série de simulations. Le chapitre 7 présente les discussions et recommandations du projet. Finalement, une conclusion disponible à la fin du document permet de synthétiser l’analyse des résultats présentés précédemment.
R
EVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Pergélisol
Le pergélisol est une couche de sol, soit un dépôt de surface ou un socle rocheux, dont la température se maintient à une valeur égale ou inférieure à 0 °C pendant un minimum de deux hivers consécutifs (Muller, 1943). Le pergélisol est particulièrement sensible aux changements climatiques (Haeberli et Hohmann, 2008). Cette définition est d’état exclusivement thermique et a largement été adoptée et citée dans plusieurs livres et articles, tels que Andersland et Ladanyi (2004), Johnston (1981), Linell et Tedrow (1981), Beilman et al. (2001) et Washburn (1980), pour n’en nommer que quelques-uns. Par contre, elle n’est qu’une description partielle du sol, puisqu’elle ne tient pas compte de la lithologie des roches, de la granulométrie des sédiments et de la teneur en eau et en glace des dépôts (Robitaille et Allard, 1996). Ces caractéristiques influencent fortement le comportement mécanique du sol gelé. Dans cette section, le profil thermique du pergélisol, sa distribution au Canada et les facteurs influençant son régime thermique seront présentés.
1.1.1 Profil thermique
Le régime thermique caractéristique du pergélisol est affiché à la figure 1.1 et présente un profil des températures annuelles (maximales et minimales) en fonction de la profondeur. D’abord, la couche de sol située directement sous la surface est appelée couche active et est schématisée à la figure 1.1. Les propriétés thermiques de cette couche subissent des variations saisonnières provoquées par le gel et le dégel annuel. Par conséquent, la différence entre la conductivité thermique du sol à l’état gelé et à l’état non gelé peut causer un décalage thermique négatif en surface (« thermal offset »), défini comme la différence entre la température annuelle moyenne au plafond du pergélisol ( ) et la température annuelle moyenne à la surface du sol ( ). Romanovsky et Osterkamp (1995) ont défini le décalage thermique par l’équation ci-dessous.
é 1.1
Où : est la température moyenne annuelle au plafond du pergélisol ° et est la température moyenne annuelle à la surface du sol ° .
Figure 1.1 : Régime thermique du pergélisol (Burn, 2013).
Généralement, la température annuelle moyenne du sol diminue avec la profondeur au niveau de la couche active; ce phénomène est présenté à la figure 1.1. L’effet du décalage thermique s’accroît avec l’augmentation de la teneur en eau dans un sol, et est donc plus important pour une tourbe saturée (Burn, 2013). Dans certains cas, le pergélisol peut subsister à certains endroits nordiques où la température annuelle moyenne du sol (TAMS) est située au-dessus de 0 °C.
L’épaisseur de la couche active est imposée par la profondeur maximale atteinte par le front de dégel. Dans les régions extrêmes de l’arctique, la couche active peut être aussi mince que 150 mm, par contre, elle peut atteindre plus de trois mètres d’épaisseur dans la zone de pergélisol discontinue (Andersland et Anderson, 1978). Le plafond du pergélisol est défini comme l’interface entre la couche active et le pergélisol. Également, la position de l’amplitude annuelle nulle désigne la profondeur à laquelle les variations saisonnières n’ont pas d’influence et sont inférieures à 0,1 °C, représenté par la température du pergélisol (Tg) à la figure 1.1. Finalement, la base du pergélisol détermine sa limite
La température et le type de sol font partie des paramètres les plus importants pris en compte lors de l’évaluation des risques d’un projet d’infrastructure construit sur pergélisol (McGregor et al., 2010). Ainsi, le pergélisol peut être caractérisé par sa température. Lorsque la température du pergélisol se situe entre 0 et -2 °C, il est décrit comme chaud et potentiellement instable. Par contre, si sa température est inférieure à -5 °C le pergélisol est froid, moins vulnérable aux variations de température et offre une capacité portante supérieure au pergélisol chaud. Un pergélisol à une température variant entre -2 et -5 °C peut se comporter autant comme un pergélisol chaud ou froid et son comportement dépend principalement du type de sol et des caractéristiques de surface.
1.1.2 Distribution du pergélisol
La figure 1.2 présente la distribution du pergélisol au Canada et est cartographiée selon différents types de pergélisol. Le pergélisol est dit continu lorsqu’il couvre plus de 90 % du territoire et est représenté par la couleur rose sur la figure 1.2. Le pergélisol est défini comme étendu discontinu lorsqu’il couvre une superficie allant de 50 à 90 % du territoire et est illustré par la couleur bleue sur la figure 1.2. Le pergélisol est désigné sporadique lorsqu’il couvre de 10 à 50 % du territoire et est représenté par la couleur verte. Les termes ilot de pergélisol et pergélisol de montagne sont représentés par les couleurs orange et jaune respectivement et caractérisent un territoire couvert par 10 % et moins de pergélisol. Finalement, le pergélisol défini comme sous-marin est représenté par la couleur magenta. La figure 1.2 permet de constater que le pergélisol occupe 50 % des terres canadiennes (Landry, 2012).
Figure 1.2 : Distribution du pergélisol au Canada (Heginbottom et al., 1995).
Une carte illustrant la distribution du pergélisol au Yukon est présentée à la figure 1.3. Le nord du Yukon est couvert en majorité par une zone de pergélisol continu, alors que le sud est caractérisé par un pergélisol discontinu. Près de Whitehorse, le pergélisol atteint une épaisseur de quelques mètres seulement et sa température se situe entre 0 et -1 °C, alors qu’il peut atteindre 300 m d’épaisseur et une température inférieure à -3 °C dans les régions au nord (Yukon Permafrost Network, 2011).
La distribution du pergélisol au Québec est illustrée à la figure 1.4 et couvre environ un tiers du territoire de la péninsule Québec-Labrador (Zimmermann et Lavoie, 2001). Au nord du 58e parallèle, le
pergélisol est continu et peut atteindre des épaisseurs allant jusqu’à 150 m. Il est représenté par la couleur mauve. Le pergélisol est défini comme discontinu et répandu lorsqu’il couvre une superficie de plus de 50 % du territoire et est représenté par la couleur bleu foncé. De plus, le pergélisol est décrit comme discontinu et dispersé lorsqu’il couvre une superficie de moins de 50 % du territoire et est représenté par la couleur bleu lavande. Finalement, le pergélisol est dit sporadique lorsqu’il couvre une superficie de moins de 2 % du territoire et est représenté par la couleur bleu pâle.
Figure 1.4 : Distribution du pergélisol au Québec (Allard et Lemay, 2012).
1.1.3 Facteur affectant la distribution du pergélisol
La distribution du pergélisol dépend principalement de la latitude et de l’altitude, mais également du climat, de la topographie et de la végétation (McGregor et al., 2010). D’abord, la température annuelle moyenne de l’air (TAMA) et les précipitations (sous forme de pluie ou de neige) sont deux paramètres climatiques ayant un impact considérable sur la distribution du pergélisol, plus particulièrement sur la
topographie du terrain influence la quantité de radiation solaire reçue par la surface et l’épaisseur du manteau neigeux au sol, deux éléments qui influence le bilan énergétique à la surface. D’une part, l’albédo est une propriété de surface et est défini comme étant la fraction d’énergie solaire qui est réfléchie par la surface. L’albédo est l’un des facteurs principaux gouvernant l’accumulation de chaleur dans le sol transmise par la radiation solaire. D’autre part, le couvert neigeux agit à titre de couche isolante et empêche l’extraction de chaleur de même que le refroidissement du sol pendant la période hivernale puisque la conductivité thermique de la neige est faible. Finalement, le couvert végétal affecte la distribution du pergélisol puisqu’il protège le sol pendant la saison hivernale en facilitant l’extraction de chaleur grâce à sa conductivité thermique élevée. De plus, la végétation est bénéfique à la préservation du pergélisol puisqu’elle limite l’absorption de chaleur dans le sol naturel pendant l’été grâce à, entre autres, l’évaporation en surface qui consomme une grande quantité d’énergie.
1.1.4 Impacts du réchauffement climatique sur le pergélisol
Le réchauffement climatique se manifeste par une élévation des températures moyennes des océans et de l’atmosphère mesurée à l’échelle mondiale. Ce phénomène est relié à l’utilisation importante d’énergie fossile par l’industrialisation, ayant comme conséquence une augmentation de la concentration des gaz à effet de serre dans l’atmosphère.
La NASA (National Aeronautics and Space Administration) analyse chaque année l’évolution de la température de surface de la Terre et a constaté que 2014, 2015 et 2016 étaient des années record. La température moyenne à la surface de la Terre en 2016 était la plus élevée depuis le début de la tenue de registres des températures en 1880 (NASA, 2017). La figure 1.5 présente les anomalies de température globales pour chaque mois depuis 1880. Une anomalie thermique est une variation importante entre la température moyenne de l’air mesurée pour une année par rapport à la valeur moyenne calculée sur une période minimale de 30 ans. Ce paramètre indique à quel point l’année analysée était plus chaude ou plus froide que la normale.
Figure 1.5 : Anomalies thermiques globales pour chaque mois depuis 1880 (NASA, 2017).
L’équilibre des régions nordiques est menacé par les changements actuels, particulièrement le pergélisol qui dépend grandement du climat. L’augmentation de la température de l’air a comme conséquence d’augmenter la profondeur de la couche active puisque les températures plus chaudes en période estivale permettent le dégel du pergélisol sur une plus grande profondeur. À certains endroits, le pergélisol risque de disparaitre. Depuis 1980, une augmentation de la température du pergélisol a été observée en Alaska et correspond à l’augmentation de la température de l’air (Osterkamp et Romanovsky, 1999). La température du pergélisol, à la profondeur d’amplitude annuelle nulle (définie par le point à la figure 1.1), a connu une augmentation de 0,5 à 2,0 °C (Brown et Romanovsky, 2008) au cours des 30 dernières années, signifiant une augmentation de l’épaisseur de la couche active et une diminution de la profondeur du pergélisol.
1.2 Modes de transfert de chaleur
Le transfert de chaleur est l’énergie thermique en transit causée par une différence de température spatiale (Bergman et al., 2011a). Dès l’instant où un écart de température existe dans un corps ou entre deux corps un transfert thermique se produit. Il existe trois modes de transfert de chaleur, soit la conduction, la convection et le rayonnement thermique. Ils sont représentés à la figure 1.6 dans l’ordre énuméré. Le développement d’un modèle thermique nécessite la compréhension des modes de
transfert de chaleur impliqués dans un remblai routier. Chacun de ces modes est présenté dans cette section.
Figure 1.6 : Modes de transfert de chaleur (Bergman et al., 2011a).
1.2.1 Conduction
La conduction se définit par la transmission de chaleur d’une matière à une autre par contact physique direct, c’est-à-dire par le transfert d’énergie cinétique d’une molécule à une molécule adjacente. La loi de la conduction thermique, connue sous le nom de Loi de Fourier, est présentée à l’équation 1.2 pour un cas unidimensionnel et son principe est schématisé à la figure 1.7.
⋅ 1.2
Où : est le flux de chaleur dans la direction x / , est conductivité thermique / ⋅ ° et ⁄ est le gradient de température ° ⁄ .
La conduction est le mode d’échange de chaleur prédominant dans un sol (Farouki, 1981a). La conductivité thermique d’un sol représente la vitesse à laquelle l’énergie thermique circule dans un corps soumis à un gradient thermique et s’exprime habituellement en ⁄ ⋅ ° .
1.2.2 Convection
Le mode de transfert de chaleur par convection implique un déplacement de matière dans un milieu et nécessite au moins un fluide (liquide ou gaz). Ce mode de transfert thermique est schématisé à la figure 1.8. Deux processus distincts définissent la convection. D’une part, l’échange de chaleur entre la surface d’un solide et le contact d’un fluide avec celle-ci et, d’autre part, le transfert thermique se produisant à l’intérieur d’un fluide par mouvements moléculaires. L’équation permettant de calculer flux de convection est gouvernée par la loi de Newton et est présentée à l’équation 1.3.
⋅ 1.3
Où : est le flux de convection / , est le coefficient de convection / ⋅ ° , est la température de surface d’un solide ° et est la température du fluide ° .
Figure 1.8 : Transfert de chaleur par convection (Bergman et al., 2011a).
Le transport thermique par convection est un processus pouvant être naturel ou forcé, rencontré dans les matériaux poreux tels que les matériaux de remblai. La convection naturelle, induite par les forces d’inertie, résulte d’une différence de densité causée par les variations de température au sein d’un fluide. Dans les matériaux de remblai, la convection naturelle se produit verticalement par mouvement d’air, l’air froid étant plus dense que l’air chaud, elle pousse cette dernière vers le haut, hors du remblai, permettant un refroidissement du remblai pendant la période hivernale. La convection forcée, quant à elle, peut être associée avec l’écoulement souterrain de l’eau dans le remblai ou l’action du vent à la surface de la chaussée et se produit lorsque des courants provoquent le mouvement du fluide.
1.2.3 Rayonnement
Le rayonnement thermique est un mécanisme de transfert de chaleur s’effectuant sans support matériel, comparativement à la conduction et à la convection, et est schématisé à la figure 1.9. Le rayonnement thermique est l’énergie émise par la matière, tenue à une température supérieure à zéro Kelvin (température nulle absolue). Tous les corps émettent de l’énergie sous forme de photons se déplaçant aléatoirement, et, lorsque ces derniers atteignent une surface, ils peuvent soit être absorbés, réfléchis ou transmis. Le comportement de ces particules, associées aux ondes électromagnétiques, dépend des coefficients de transmission, d’absorption et de réflexion de la paroi touchée. Le flux solaire réfléchi et absorbé est imposé par l’albédo de la surface alors que le flux solaire transmis est perceptible lorsque le rayonnement atteint des parois transparentes. La loi de Stefan-Boltzmann est représentée à l’équation 1.4 et permet de calculer le flux de rayonnement. Le transport de chaleur par rayonnement dans les sols est généralement négligeable (Farouki, 1981a).
⋅ ⋅ 1.4
Où : est le pouvoir émissif d’une surface / , est un nombre adimensionnel qui représente l’émissivité d’une surface, est la constante de Stefan-Boltzmann
5,67 10 ⁄ ⋅ et est la température du corps .
Figure 1.9 : Transfert de chaleur par rayonnement : (a) à la surface et (b) entre la surface et le milieu (Bergman et al., 2011a).
1.3 Propriétés thermiques
La connaissance des propriétés thermiques des matériaux permet de mieux comprendre l’interaction qui existe entre les variations de température et le comportement du sol en réponse à ces
changements. Les propriétés thermiques des sols dépendent grandement de la température, du type de sol, de la teneur en eau et en glace, du degré de saturation et de la masse volumique du sol (Andersland et Ladanyi, 2004). La conductivité thermique, la capacité thermique volumique, la chaleur latente de fusion et la diffusivité thermique sont présentées dans cette section. Des valeurs spécifiques à l’eau, à la glace et à l’air, telles que la conductivité thermique et la capacité thermique sont présentées au tableau 1.1.
Tableau 1.1 : Propriétés thermiques de l’eau, de la glace et de l’air (Konrad, 2015). Matériau Conductivité thermique, k (W/m·°C) volumique (MJ/mCapacité thermique 3·°C)
Eau 0,60 4,19
Glace 2,24 1,90
Air 0,024 ≈ 0
1.3.1 Conductivité thermique
La conductivité thermique est une propriété permettant de caractériser le comportement d’un matériau lors d’un transfert thermique par conduction. La conductivité dans les sols varie principalement selon la masse volumique sèche, la teneur en eau, l’origine des minéraux présents dans les particules solides, l’état du sol (gelé ou non gelé) et la présence d’eau non gelée sous 0 °C (Konrad, 2015). Plusieurs modèles théoriques, empiriques et semi-empiriques ont été développés afin d’estimer la conductivité thermique des sols. Les valeurs de conductivité thermique de l’eau, de la glace et de l’air sont inscrites au tableau 1.1 et permettent d’évaluer l’interaction entre les propriétés physiques et thermiques d’un sol. Par exemple, la conductivité thermique de l’eau est plus élevée que celle de l’air, ainsi la conductivité thermique du sol augmentera lorsque son degré de saturation augmentera également. La conductivité thermique de la glace est plus élevée que celle de l’eau. Pour un sol ayant une teneur en eau élevée, la conductivité thermique gelée sera plus élevée que celle d’un sol à l’état non gelé.
1.3.2 Capacité thermique
La capacité thermique d’un matériau représente sa capacité à emmagasiner de l’énergie dans le but d’élever sa température. Cette propriété peut s’exprimer sous forme volumique ou massique et représente la quantité de chaleur requise pour élever la température d’une unité de masse de sol d’un
degré. Cette propriété peut être calculée en additionnant les capacités thermiques de chaque constituant du sol tel que montré à l’équation 1.5:
1
1.5
Où : est la capacité thermique massique du sol / ° , est la masse totale de sol , , , sont les capacités thermiques massiques des particules solides, de l’eau, de la glace et de l’air respectivement / ° et , , représente les fractions massiques de chaque constituant (1/ ).
1.3.3 Chaleur latente de fusion
La chaleur latente de fusion est une propriété qui permet de quantifier l’énergie libérée ou absorbée lors du changement de phase d’un matériau. La chaleur latente de fusion de l’eau est de 333,7 kJ/kg. Pour un sol, la chaleur latente de fusion d’un sol est calculée selon l’équation 1.6.
′
100 1.6
Où : est la chaleur latente de fusion volumétrique d’un sol / , est la masse volumique sèche d’un sol / , ′ est la chaleur latente de l’eau 333,7 / et est la teneur en eau totale et est la teneur en eau non gelée (%).
1.3.4 Diffusivité thermique
La diffusivité est une propriété thermique qui permet d’évaluer l’aptitude d’un matériel à changer sa température, plus spécifiquement, cette caractéristique représente le ratio entre l’habileté d’un sol à conduire l’énergie et sa capacité à l’emmagasiner. La diffusivité thermique d’un sol peut être calculée selon l’équation 1.7 et est reliée à la conductivité thermique, la capacité thermique volumique et la masse volumique du sol.
1.7
Où : α est la diffusivité thermique / , est la conductivité thermique / ⋅ ° , est la capacité thermique massique ⁄ ⋅ ° et est la masse volumique du sol / .
1.4 Température superficielle du revêtement routier
La température du sol constitue un élément essentiel à prendre en compte lors de la réalisation d’un projet routier en région nordique et elle est influencée par les processus d’échange thermique se manifestant à la surface et en profondeur. Le flux de chaleur à la surface du revêtement est fortement influencé par les conditions climatiques locales. Le flux de chaleur continu provenant de l’intérieur de la terre est gouverné par le gradient géothermique du site. Des approches ayant pour but de déterminer la température superficielle du revêtement routier ont été développées et seront présentées dans cette section.
1.4.1 Bilan d’énergie à la surface
Le bilan d’énergie à la surface d’un revêtement respecte le principe de la conservation de l’énergie, c’est-à-dire que les flux thermiques positifs et négatifs s’équilibrent à la surface. La radiation solaire, la convection et la température de l’air sont des paramètres importants qui font partie du bilan énergétique à la surface (Hermansson, 2004). Certains flux thermiques peuvent être négligés, tels que le flux de chaleur correspondant à la conduction vers l’air puisque la conductivité thermique de l’air est faible (Sellers, 1965) et les flux provenant de l’évaporation et de l’infiltration de l’eau, car les revêtements sont considérés comme imperméables (Berg, 1985). Le bilan d’énergie à la surface d’un revêtement peut, de cette façon, être simplifié. Il est schématisé à la figure 1.10 et est présenté à l’équation 1.8.
0 1.8
Où : représente le flux de chaleur par la radiation solaire, le flux de chaleur par la radiation infrarouge, le flux de chaleur par convection et est le flux de chaleur par conduction vers le
sol ⁄ .
D’abord, la radiation provenant du soleil est émise sous forme d’ondes courtes. Une fraction du flux d’énergie de la radiation solaire incidente est absorbée par le revêtement routier et la partie restante est réfléchie selon l’albédo de la surface. Ensuite, la surface de la Terre émet un flux infrarouge sous forme d’ondes longues. La quantité de la radiation infrarouge émise et absorbée par le revêtement routier dépend de l’émissivité de la surface. Finalement, le flux de convection, gouverné par les mouvements d’air naturel ou forcé en surface du revêtement, et le flux de conduction, dépendant des propriétés thermiques du sol naturel et des matériaux de remblai sont des facteurs importants pour déterminer la température en surface. La résolution du bilan de chaleur est un point de départ pour modéliser les températures de surface d’un revêtement.
Dans le cadre d’un projet de recherche de l’Université Laval, Dumais (2014) a proposé une méthode d’analyse du calcul des températures superficielles des revêtements routiers régie par le bilan d’énergie simplifié à la surface. La méthode proposée a été validée en utilisant les données du site de Beaver Creek et permet d’obtenir les températures en surface, de même que les indices de gel et de dégel des revêtements routiers selon l’albédo de la surface. Quatre variables doivent être saisies dans le modèle pour générer un calcul permettant d’obtenir la température superficielle. Trois de ces variables dépendent des paramètres météorologiques du site (température de l’air, vitesse du vent et radiation solaire) et la dernière est une caractéristique de surface (albédo). Le modèle de calcul peut être utilisé sous forme d’abaques ou par un utilitaire de calcul supporté par Excel.
1.4.2 Approche par le facteur-n
Le facteur-n est un paramètre empirique pouvant être utilisé pour estimer la température de surface d’un revêtement. Ce facteur est calculé à partir des données climatiques d’un site, telles que les indices de gel et de dégel de l’air et de surface. Le facteur-n, pour la période de gel et la période de dégel, est présenté à l’équation 1.9.
; 1.9
Où : est le facteur-n de gel, est l’indice de gel de surface ° et est l’indice de gel de l’air ° , est le facteur-n de dégel, est l’indice de dégel de surface °
et est l’indice de dégel de l’air ° .
Il peut être pratique d’utiliser le facteur-n pour estimer la température de surface. En période de dégel, plus le facteur-n est élevé, plus la température de surface est élevée et plus l’albédo de surface est faible. Des valeurs typiques sont facilement accessibles dans la littérature, et certaines sont présentées au tableau 1.2. Par contre, la fiabilité de ce facteur est faible. Le facteur-n peut grandement varier selon les caractéristiques de surface et les conditions climatiques du site.
Tableau 1.2 : Valeurs typiques du facteur-n utilisées en ingénierie (Doré et Zubeck, 2009). Matériau Plage de
valeurs suggérée en pratique Plage de valeurs Plage de valeurs Enrobé bitumineux 0,25 – 2,50 0,80 – 0,95 1,60 – 3,00
Gravier 0,60 – 1,50 0,90 – 1,00 1,10 – 2,00 Végétation 0,25 – 0,50 0,30 – 0,35 0,37 – 0,80
Neige 1,00
1.5 Conception de remblai routier en zone de pergélisol
Les remblais routiers sont des structures linéaires s’étendant sur plusieurs kilomètres, pouvant traverser des climats et des régions géomorphologiques et géologiques différentes. Le rôle des infrastructures de transport, telles que les routes, les autoroutes et les pistes d’atterrissage est d’abord de résister aux sollicitations du trafic tout en permettant le transport des personnes et des marchandises. Par contre, lorsque construites en zone de pergélisol, le critère de conception n’est plus que structural, mais doit prendre en considération les propriétés thermiques des matériaux afin de contrer les effets de soulèvement au gel et de tassement au dégel d’un sol riche en glace.
La structure d’un remblai routier est composée de plusieurs couches, comme présentée à la figure 1.11, où chacune d’elles joue un rôle particulier. D’abord, la couche de revêtement permet de distribuer les charges lourdes induites par le trafic et, dans certains cas, d’imperméabiliser la structure dans le but de conserver les matériaux granulaires sous-jacents relativement secs (Doré et Zubeck, 2009).
Les matériaux de fondation et de sous-fondation contribuent au support structural, tout en limitant les effets du cycle de gel et de dégel sur le comportement des sols naturels.
Figure 1.11 : Structure de chaussée typique pour les routes construites en région de pergélisol (Doré et Zubeck, 2009).
Il peut être difficile de préserver le pergélisol après la construction d’un remblai routier puisque sa géométrie perturbe grandement le régime thermique du sol. La figure 1.12 présente un schéma d’une structure de chaussée après plusieurs cycles de gel et de dégel.
Figure 1.12 : Schéma d’une structure de chaussée pendant la période estivale après plusieurs cycles saisonniers (McGregor et al., 2010).
D’une part, la mise en place des matériaux de remblai au-dessus du sol naturel et le déneigement de la chaussée en hiver a pour effet d’élever le plafond du pergélisol à cet endroit. Par contre, en période estivale, la surface est exposée à la radiation solaire et entraine une augmentation de l’absorption de chaleur sous le remblai. D’autre part, l’accumulation de neige le long des épaulements forme une couche isolante et empêche l’extraction de chaleur contenue dans le sol naturel en bordure de remblai pendant la période hivernale. Conséquemment, la profondeur de la couche active augmente à cet endroit et peut provoquer des dégradations importantes telles que la rotation des épaulements ou l’apparition de fissures longitudinales le long des épaulements.
1.5.1 Méthodes d’atténuation de la dégradation du pergélisol
Dans le but de contrer la dégradation du pergélisol sous le remblai routier, des méthodes d’atténuation ont été étudiées pour adapter les infrastructures de transport au contexte d’instabilité du pergélisol au dégel. Ces méthodes sont classées selon trois principes fondamentaux et sont énumérées dans cette section (Doré et Zubeck, 2009).
D’abord, le premier concept consiste à limiter l’apport de chaleur sous le remblai pendant la période estivale. Il est possible de réduire l’absorption de chaleur en augmentant l’épaisseur du remblai, en ajoutant une couche isolante au dimensionnement de la structure ou en conservant la couche de tourbe avant la construction. De plus, l’application de surfaces réfléchissantes sur la partie revêtue du remblai ou l’installation d’écrans le long des talus, nommés pare-soleil (ou pare-neige), augmente l’albédo de la surface et par conséquent, réfléchissent une quantité plus importante d’énergie due à la radiation solaire. Les solutions énumérées permettent d’élever le plafond du pergélisol et ainsi de protéger le remblai des tassements dus au dégel.
Le second concept est basé sur l’extraction de chaleur du remblai pendant la période hivernale. L’installation de conduit de ventilation, de remblais à convection d’air (ACE), de thermosiphons ou de drains thermiques peut être ajoutée à la conception des remblais en zone de pergélisol. Ces méthodes permettent de maximiser l’extraction de chaleur contenue dans le sol naturel pendant l’hiver par transfert de chaleur utilisant la convection, la conduction ou les deux.
Finalement, le dernier concept consiste à renforcer les remblais dans le but de résister à la dégradation du pergélisol. Pour ce faire, il est possible d’intégrer l’utilisation de géosynthétiques dans le dimensionnement des chaussées, de concevoir des pentes douces le long des talus ou d’installer des bermes en pied de talus. Ces deux dernières techniques permettent de réduire l’accumulation de neige et ainsi diminuer son effet isolant pendant la période hivernale.
1.6 Revêtement à albédo élevé
D’abord, l’albédo est un mot d’étymologie latine, qui signifie blancheur. L’albédo d’une surface est une caractéristique des matériaux permettant de quantifier la partie de la radiation solaire incidente que cette surface réfléchit (Coakley, 2003). Cette caractéristique gouverne l’accumulation de chaleur par
est présenté en décimale et varie de 0, pour un corps noir parfait qui absorbe toutes les longueurs d’onde, à 1, pour une surface apte à réfléchir entièrement la radiation solaire. Ainsi, un revêtement à albédo élevé permet de réfléchir une plus grande partie de l’énergie provenant de la radiation solaire qu’un revêtement bitumineux classique. La mention « cool pavement » est accordée dans le cas où l’albédo de la surface revêtue est d’un minimum de 0,30 (Muench et al., 2011).
1.6.1 Études nordiques portant sur les revêtements à albédo élevé
Dans les années 70, le critère de dimensionnement des structures de chaussée construites dans les zones de pergélisol discontinu consistait généralement à fournir une résistance aux charges induites par les véhicules lors de la période de dégel. Après cette période, la pratique habituelle était de niveler ou de paver les surfaces problématiques ayant subi des tassements différentiels dus au dégel du sol sous-jacent riche en glace. Le coût associé à l’ajout de matériau de remblai était important et conduit à l’étude de nouvelles techniques de construction. Trois méthodes passives étaient connues pour diminuer la profondeur de dégel, soit l’intégration d’une couche isolante au dimensionnement d’un remblai (Esch, 1973), l’ajout ou la préservation de la couche de tourbe (Esch et Livingston, 1978) et l’utilisation de matériau permettant de réduire la température de surface de la chaussée (Fulwider et Aitken, 1962).
Quelques projets de recherche ont été réalisés en milieu nordique, soit au Groenland, en Alaska et au Canada et ils ont permis d’évaluer les effets de l’albédo du revêtement sur la pénétration maximale de dégel sous le remblai routier. Les diverses utilisations recensées sont regroupées chronologiquement à la figure 1.13, selon la date de parution de l’article scientifique respectif, et elles sont présentées par situation géographique dans cette section.
1.6.1.1 Groenland
D’abord, la première utilisation recensée de peinture blanche utilisée dans le but d’augmenter l’albédo de la surface date de 1962. Cette étude avait pour but de déterminer la réduction de la profondeur de dégel sous la chaussée par l’application de peinture blanche sur les pistes de l’aéroport de Thulé, au Groenland (Fulwider et Aitken, 1962). D’abord, une section d’essai comprenant une surface blanche et une surface témoin ayant comme dimensions 38,1 m de longueur sur 22,9 m de largeur ont été installées en 1953 sur une voie de circulation de l’aéroport. Les résultats de cette étude démontrent que la profondeur de dégel sous la surface à albédo élevé a diminué de 27 % à l’été 1954, comparativement à la section témoin. La figure 1.14 présente la profondeur de dégel pour cette période, elle est de 1,6 m sous la section peinte et de 2,2 m sous la section témoin.
Figure 1.14 : Profondeur de dégel sous la voie de circulation de l’aéroport de Thulé (Fulwider et Aitken, 1962).
Suite aux résultats obtenus, l’installation de peinture blanche à plus grande échelle a été autorisée. À l’été 1959, la piste d’atterrissage principale a été peinte en blanc sur approximativement 400 m, et un programme d’extension a permis d’appliquer la peinture blanche sur 1400 m de plus à l’été suivant. L’albédo de la surface était d’environ 0,58 la première année, et de 0,43 la deuxième année. En 1959, la profondeur de dégel sous la surface à albédo élevé était de 1,5 m alors qu’elle était de 2,1 m sous le revêtement noir, une réduction de 29 %, comme présentée à la figure 1.15. En 1960, une réduction de 35 % de la profondeur de dégel a été observée. La profondeur de dégel atteinte sous la surface blanche était de 1,3 m, et de 2,0 m sous le revêtement non protégé. Cette étude a démontré l’efficacité
à l’utilisation de peinture ont été constatés, tels que la diminution de la micro texture du revêtement, les coûts élevés d’entretien et les problèmes d’éblouissement des pistes d’atterrissage.
Figure 1.15 : Profondeur de dégel sous la piste de l’aéroport de Thulé (Fulwider et Aitken, 1962).
À l’automne 2000, de la peinture blanche a été appliquée sur une partie de l’aire de stationnement de l’aéroport de Kangerlussuaq, au Groenland, après qu’une dégradation importante de la chaussée par plusieurs dépressions de la surface ait été remarquée (Jorgensen et Andreasen, 2007). Quelques années plus tard, des relevés au géoradar ont permis de comparer la profondeur de dégel sous les sections d’essai à celle du revêtement noir. La figure 1.16 présente les résultats d’un relevé au géoradar montrant que le niveau du pergélisol sous la surface peinte en blanc est approximativement 0,75 m plus élevé que celui du reste du profil. Les relevés au géoradar marquent un lien évident entre la profondeur du pergélisol et l’albédo de la surface.
1.6.1.2 Alaska
La découverte de larges gisements de pétrole et de gaz naturel dans l’Arctique nord-américain a provoqué un mouvement en faveur du développement du réseau routier de ces régions. Conséquemment, un programme de recherche mis en place par le Cold Regions Research and
Engineering Laboratory (CRREL) a été développé dans le but d’améliorer les techniques de conception
et de diminuer les coûts de construction des infrastructures routières construites sur pergélisol. En 1964, un site d’étude sur les revêtements à albédo élevé intégré au programme a été installé sur la route Farmers Loop à Fairbanks, en Alaska (Berg et Aitken, 1973). La portion de la chaussée expérimentale n’était pas soumise au trafic et comprenait cinq différentes surfaces, soit une surface en gravier, une surface en gravier peinte en noir, une section intégrant une couche de tourbe compressée, une section témoin et une surface utilisant de la peinture blanche, totalisant une longueur de 100 m. L’albédo de la surface blanche était de 0,66 et celui de la section témoin de 0,16. Les résultats démontrent que la technique la plus efficace pour diminuer la dégradation du pergélisol est celle utilisant un revêtement à albédo élevé, où une diminution de 30 % de la profondeur de dégel est observée. La figure 1.17 présente les profondeurs de dégel sous chacune des surfaces étudiées pour les cinq années de suivi. En 1971, la profondeur de dégel sous la section témoin est approximativement de 3,4 m, et de 2,4 m sous la surface blanche.
