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Laboratoire d’étude des matériaux de chaussées (site de Nantes)
I - INTRODUCTION
II - PRINCIPALES RECHERCHES EN COURS
III - CARACTERISTIQUES DU LABORATOIRE
Le domaine d’activité du laboratoire des matériaux de chaussées comprend les matériaux bitumineux, traités aux liants hydrauliques et non traités. Les recherches concernent à la fois la structure des matériaux, leur comportement mécanique et leur impact sur l’environnement. Pour cela, le laboratoire dispose d’une large gamme d’équipements, pour la caractérisation physico-chimique des constituants, la formulation des mélanges, l’étude de leurs performances mécaniques et environnementales.
Unité de rattachement :
Division Structures et Matériaux pour les Infrastructures de Transport (SMIT)
Contacts :
Division Structures et Matériaux pour les Infrastructures de Transport (SMIT)
Le laboratoire couvre une superficie de 650 m², (plus un hall d’essai de 450 m²). Il dispose d’équipements pour l’étude des enrobés et liants bitumineux, des matériaux traités aux liants hydrauliques et des matériaux non traités. Les principaux équipements sont listés ci-dessous.
Etude des matériaux non traités
Il s’agit d’un matériel permettant de caractériser les propriétés viscoélastiques des matériaux ainsi que leur comportement en fatigue. L’appareil peut balayer une plage de température importante (?100°C à 300°C) et également une large gamme de fréquences de sollicitation (10-3 Hz à 200 Hz). La capacité de cette « mini-presse » est de 150 N à haute fréquence et de 450 N pour les mesures à basse fréquence et statiques. Les modes de sollicitations mécaniques s’étendent de la flexion trois points au pompage annulaire. Il est donc possible d’analyser les matériaux quelque soit leur état : solide, liquide ou intermédiaire. Il est utilisé dans la division SMIT pour étudier les propriétés viscoélastiques linéaires des liants routiers ainsi que leur comportement à plus grandes déformations (fatigue, rupture).
L’essai de « rupture locale répétée » sur bitume a été mis au point pour étudier la contribution du liant vis-à-vis de la fatigue des enrobés bitumineux. Il vise à comprendre la rupture cohésive et le phénomène d’auto-réparation dans le liant, dans des conditions particulières de chargement entre deux granulats. L’essai consiste à soumettre un film mince de liant bitumineux, placé entre deux protubérances convexes à des essais de traction répétés, à déplacement imposé (voir photo du dispositif).
L’essai fournit des informations sur l’initiation et la propagation de fissure à l’intérieur de l’échantillon. De tels événements se traduisent par des décrochements dans la courbe force-déplacement. Des chargements successifs réalisés après différents temps de repos montrent que l’auto-réparation du liant dépend de la température et de la durée du temps de repos. L’essai de rupture locale constitue un outil prometteur pour étudier le rôle du bitume dans la rupture et l’auto-réparation des enrobés bitumineux.
Ce matériel est conçu pour réaliser de façon automatisée l’essai de résistance à la fatigue sur 2 ou 4 éprouvettes trapézoïdales de matériaux bitumineux selon la norme NF EN 12697-24 Annexe A. Les éprouvettes trapézoïdales sont soumises à des chargements sinusoïdaux, à déplacement imposé (flexion 2 points). L’essai est répété pour 3 niveaux de déformation, à température contrôlée et à une fréquence donnée (généralement 25 Hz). Il permet de déterminer la pente de la droite de fatigue et la déformation admissible e6 conduisant à une durée de vie de 106 cycles.
Matériel de laboratoire automatisé conçu pour mesurer le module complexe sur 4 éprouvettes trapézoïdales de matériaux bitumineux dans des conditions comparables aux sollicitations sur chaussées (flexion 2 points) selon la norme NF EN 12697-26 Annexe A.
Les éprouvettes sont soumises en tête à des sollicitations sinusoïdales constantes pour des fréquences et températures définies.
Le résultat est la moyenne des modules des 4 éprouvettes testées. La valeur de module retenue dans les normes produit est le module à 15°C et 10Hz.
Les résultats de cet essai permettent également de caler des modèles visco-élastiques pour les matériaux bitumineux.
Machine d’essais de module complexe pour enrobés 3MC
Le dispositif dénommé Tribomètre pour Revêtement Routier (T2R) a été développé pour étudier la résistance aux arrachements des enrobés de surface utilisés dans les couches de roulement. Le principe consiste à soumettre l’éprouvette à des chargements cycliques, à l’aide d’un patin logarithmique, recouvert de gomme, (application d’une force oblique). Le banc d’essai se compose d’une colonne verticale supportant le vérin hydraulique et le patin de chargement, et d’une table pouvant se déplacer sur deux rails horizontaux. Cette table peut accueillir une éprouvette parallélépipédique (185 mm x 247 mm) ou une carotte (diamètre 300 mm). La hauteur maximale des éprouvettes est de 150 mm.
Ce nouvel essai est conçu pour reproduire l’effet de l’effort tangentiel engendré dans les points singuliers du réseau routier. Les phénomènes d’indentation de la gomme par les aspérités des granulats sont également pris en compte. L’action cyclique du patin provoque un glissement de la gomme sur la surface de l’éprouvette et engendre un départ de granulats plus ou moins important selon la composition du matériau. La résistance aux efforts tangentiels est évaluée à partir de la perte de masse de l’éprouvette. Les études réalisées montrent le rôle important des propriétés du liant bitumineux sur la résistance aux efforts tangentiels.
Cet équipement permet le compactage de planches expérimentales d’enrobés bitumineux de dimensions 5´10 m, au moyen d’un dispositif à pneus. Il permet en particulier de valider les conditions de mise en oeuvre des matériaux sur chantier.
Banc de compactage pour matériaux bitumineux
Le respect des critères environnementaux de plus en plus exigeants implique, dans de nombreux domaines, y compris dans celui de la construction des routes, d’avoir une meilleure connaissance de la nature des fumées générées par la fabrication en température d’enrobés bitumineux et la manipulation du bitume. Le LCPC développe ainsi des recherches sur la composition chimique et l’intensité des émissions de fumées générées par la fabrication et la mise en ?uvre des enrobés hydrocarbonés. Deux bancs d’essai ont été mis au point pour l’analyse des fumées émises par les enrobés bitumineux et le bitume seul (voir figure). Au cours de l’essai, le matériau mélangé et maintenu en température génère des émissions gazeuses qui dépendent des composants du mélange et de sa formulation. Un analyseur automatique est utilisé pour suivre les émissions des Composés Organiques Totaux (COT) dans le temps. L’exploitation des mesures permet de déterminer plusieurs indicateurs tels que le potentiel d’émission afin de conférer aux matériaux bitumineux une performance environnementale.
Dispositif de prélèvement et de mesure des COT générés en laboratoire
à partir d’enrobés bitumineux (à gauche) et du bitume seul (à droite).
Cet appareil est conçu pour des éprouvettes de 160 mm de diamètre et 320 mm de hauteur. Il permet de faire varier de façon cyclique la force axiale et la pression de confinement. La charge verticale maximale est de 20 kN et la pression de confinement maximale 500 kPa ? La fréquence de chargement maximale est de 2 Hz (10 Hz à pression constante). L’appareil est équipé de capteurs de déplacement à effet Hall permettant la mesure directe des déformations axiales et radiales sur la partie centrale de l’éprouvette. Principales applications : étude du comportement cyclique des graves non traitées (GNT) et des sols sous chargements routiers (comportement élastique et déformations permanentes). Développement de modèles de comportement pour ces matériaux.
Les différents retraits d’origine chimique, hydrique ou thermique, sont la cause de l’apparition de fissures dans les chaussées comportant des matériaux hydrauliques. Cette fissuration nécessite un entretien et diminue la durée de vie des chaussées, ce qui a un coût pour la collectivité.
Le banc de retrait empêché permet d’étudier la susceptibilité à la fissuration d’un matériau hydraulique sur un barreau de 2,7 m de long. Son bâti est composé, comme indiqué sur le schéma ci-dessous, de deux poutres composées de blocs de béton à hautes performances précontraints par des barres de tension que l’on peut chauffer. Le barreau de matériau à tester est mis en ?uvre entre ces deux poutres et est solidarisé avec les deux extrémités du bâti.
Le pilotage de la température des barres de tension permet de contrôler les dimensions du bâti. Il est donc possible de restreindre le retrait du barreau testé, voire même de simuler des retraits thermiques ou de séchage à long terme en allongeant le bâti. On peut alors suivre l’occurrence de la fissuration du matériau dans le temps.
Schéma de principe et photographie du banc de retrait
La caractérisation en fatigue des matériaux bitumineux, réalisée en laboratoire est à la base du dimensionnement structurel des chaussées routières bitumineuses, en construction neuve ou en entretien. L’objectif est de caractériser le comportement du matériau et sa perte de module lors de chargement cyclique de manière intrinsèque et pertinente. Cette approche constitue une étape vers la prédiction de la dégradation des matériaux de chaussées nécessaire pour apprécier leur durabilité.
Simulation par éléments finis des essais de fatigue sur enrobés bitumineux
Les recherches menées au laboratoire ont permis de proposer un modèle isotherme d’endommagement isotrope, non local, 3D pour décrire la perte de module du matériau soumis à un chargement de fatigue. Ce modèle est implanté dans un code éléments finis. Avec cette loi, un jeu unique de paramètres permet de décrire les pertes de raideur d’essais de fatigue en laboratoire en traction compression, en flexion ou en cisaillement, à force ou déplacement imposé pour différents niveaux de sollicitation. Les figures ci-dessous montrent des comparaisons avec les données expérimentales.
Simulations numériques par éléments finis d’essais de fatigue
a) Essais de traction compression à déplacement imposé (déf. 80 10-6)
b) Essais en flexion deux points à déplacement imposé (déf. 140 10-6)
Dans une démarche de développement durable, les critères environnementaux et sanitaires se font de plus en plus exigeants pour l’activité industrielle, y compris dans le domaine des travaux publics. S’y conformer implique, par exemple, de réduire les dépenses énergétiques liées à la construction et à l’entretien des routes, et par conséquent à la fabrication des matériaux de chaussées. Depuis cinq ans ont ainsi émergé de nouvelles techniques routières dont font partie les enrobés à la mousse de bitume, mis en ?uvre à plus basse température que les techniques à chaud de référence.
Le procédé breveté par le LCPC permet d’améliorer à la fois les conditions de sécurité qui entourent la fabrication de ces mousses ? réalisées à pression atmosphérique contrairement aux techniques classiques ? ainsi que leurs propriétés. Ce procédé met en ?uvre une émulsion inverse, c’est-à-dire une dispersion d’eau dans du bitume, avec du bitume chaud. Ce mélange permet de vaporiser l’eau de l’émulsion inverse et de faire ainsi mousser le bitume. Il permet de bien contrôler la taille des gouttes d’eau et de former une mousse homogène avec un film de bitume continu. L’enrobage complet des granulats est ainsi facilité, conduisant à un produit final de qualité, économe en énergie.
Photographie d’une émulsion inverse
obtenue par microscopie optique en transmission sous éclairage UV à 25°C
Les fissures observées dans les enrobés bitumineux, qu’elles soient engendrées par des contraintes thermiques ou liées à des mécanismes de fatigue, sont en grande partie localisées au sein même du film de liant. Ce sont donc directement les propriétés mécaniques du bitume qui influent sur l’apparition et la propagation de ce type de dégradations.
Pour améliorer la durabilité des chaussées, le choix de ce matériau doit être pertinent. Les essais courants d’analyse des bitumes ne permettent cependant pas de caractériser la résistance à la fissuration des différents types de liant, notamment des bitumes modifiés. Les spécifications actuelles, basées essentiellement sur les propriétés viscoélastiques linéaires (BBR, DSR ?), ou des propriétés empiriques (Fraass..) apparaissent insuffisantes pour discriminer les matériaux par rapport à cette performance. Pour répondre à cette problématique, le laboratoire des matériaux routiers a engagé des travaux visant d’une part à comprendre le phénomène de fissuration des liants de nature viscoélastique et d’autre part à proposer de nouvelles techniques expérimentales pour évaluer la résistance à la fissuration. Ces recherches s’appuient sur trois dispositifs expérimentaux :
Le laboratoire mène également un travail théorique de modélisation analytique et numérique du phénomène de propagation de fissure dans les liants viscoélastiques. Les relations entre la micro/nanostructure des bitumes et la fissuration sont également étudiées en collaboration avec la division physico-chimie des matériaux du LCPC et le service chimie du laboratoire régional d’Aix-en-Provence.
Essai de fissuration sur bitume polymère à -10°C
La fissure ne parvient pas à se propager en raison d’une redistribution
des contraintes suite à un changement de forme de l’entaille
Pour des raisons évidentes de sécurité, on cherche à améliorer et à préserver l’offre d’adhérence des couches de roulement. Cette adhérence dépend de la formule du matériau routier utilisé mais également des performances des granulats. Ces dernières sont principalement évaluées à travers la résistance à la fragmentation (essai Los Angeles, LA), la résistance à l’abrasion (essai Micro Deval, MDE) et la résistance au polissage (essai PSV) des granulats. Les différents textes de référence conduisent à utiliser pour de forts trafics, des granulats pour lesquels la somme LA+MDE est inférieure à 35 et dont le PSV est supérieur à 50, voire même à 56. Pour les zones accidentogènes, il serait même souhaitable d’aller au-delà de ces exigences. Or la ressource en granulats naturels ne permet pas de répondre à ces exigences élevées, en tout point du territoire français. C’est pourquoi à ce jour, les techniques de couches de roulement à haute adhérence font souvent appel à la bauxite calcinée. Ce granulat artificiel répond au critère LA+MDE ? 35 et PSV ? 56, mais il provient essentiellement de la Chine et du Brésil, d’où son coût élevé.
Dans ce contexte, et sur la base d’un brevet déposé par le LCPC, une thèse vient d’être menée à bien dans le cadre d’une convention CIFRE avec Colas. Ce travail a permis de mettre au point des granulats artificiels issus du concassage de mortiers contenant un liant cimentaire. On a montré que l’on peut contrôler le LA, le MDE et le PSV des granulats artificiels, par un choix judicieux des constituants et de la formulation des mortiers. Il a été ainsi possible de fabriquer jusqu’à l’échelle semi-industrielle, des granulats ayant un LA+MDE ? 35 et un PSV ? 60, ce qui est meilleur que l’essentiel des granulats naturels disponibles en France.
Si de tels granulats artificiels venaient à se développer industriellement, ils devraient permettre de répondre à la demande croissante en couches de roulement à forte adhérence, sur tout le territoire français, tout en limitant les coûts et la pollution liés au transport de granulats de qualité exceptionnelle, peu disponibles et mal répartis.
Photographie d’un granulat artificiel
issu du concassage d’un mortier de ciment
Réseau des Laboratoires des Ponts et Chaussées
SETRA, STAC
Entreprises routières et pétrolières : USIRF, Eiffage, Colas, Malet, Total, Shell.
Syndicats professionnels : SPECBEA, CIMBETON, ATILH
Gaz de France, SNCF, RFF, Alstom, Railtech
Universités et grandes écoles : ENPC, ENTPE, Ecole Centrale de Nantes, Université de Nantes, Université de Bordeaux, INSA Strasbourg, IUT Egletons.
Laboratoires de recherches routières européens du FEHRL (Forum of European Highway Research Laboratories).
