Influence de la température sur le comportement des bétons bitumineux

Composition et propriétés des bitumes

Composition chimique : Les constituants du bitume sont des colloïdes. Il faut remarquer que le bitume naturel contient, en plus du bitume issu de la distillation, des charges minérales. Suivant les conditions d’emploi et les propriétés recherchés, le bitume peut être utilisé pur ou en association avec d’autres composants (modificateur, fluidifiant, fluxant, eau ou émulsifiant).
On définit les bitumes purs spéciaux, modifiés ou naturels ; les bitumes industriels ou oxydés; les bitumes fluidifiés ou fluxés obtenus par soufflage à l’air et les bitumes en émulsion. Les deux premiers s’utilisent à chaud (T supérieure à 100 °C). Pour avoir des viscosités faibles (grande pénétrabilité), on a recours aux bitumes appelés fluidifiants ou fluxés. Les bitumes fluidifiés sont des solvants assez volatils, qui sont utilisés à des températures plus basses. Les bitumes fluxés sont assez peu volatil (huile et huile de pétrole), utilisés à des températures variables, mais souvent au-delà de 100°C. Pour des viscosités trop faibles les bitumes émulsionnés peuvent être utilisés à froid ou à des températures intermédiaires. D’après le cahier du groupe rhéologique, un bitume est identifié à l’aide de sa classe de performance PGH-L. Les valeurs de H et L, sont déterminées par les essais de cisaillement dynamique et de flexion. Ainsi, le bitume utilise doit présenter un comportement adéquat aux températures de service spécifique au site dans des conditions de charge données. Car c’est le bitume qui confère à l’enrobé sa flexibilité et sa capacité à résister aux dégradations causées par le trafic et le climat. Ainsi à température de service (été), le bitume doit demeurer suffisamment visqueux ou dur afin d’éviter le phénomène d’orniérage. A température basse (hiver), le bitume doit conserver une certaine élasticité pour éviter les fissurations par retrait thermique.
Il y a 3 éléments qui guident le choix d’un grade de bitume à utiliser. Ils sont le climat régional, le genre et le volume de trafics, et l’usage auquel est destiné le mélange.
Les formules chimiques des constituants des produits noirs sont relativement complexes. Les éléments sont en majorité le carbone et l’hydrogène et en faibles quantités l’oxygène et le soufre. Ces éléments forment les :
maltènes : carbures linéaires qui confèrent plasticité et ductilité, asphaltènes : carbures cycliques qui confèrent stabilité et adhérence, carbènes : (CH2) qui fragilisent et sont des anti-émulsifiants. Propriétés physico-chimiques : On reconnaît le bitume routier par ses principales caractéristiques: sa couleur noire; son imperméabilité à l’eau; sa susceptibilité à la température; son inertie chimique; son pouvoir d’adhésion et de rétention.
Par précipitation avec du n-heptane, on peut séparer physiquement un bitume en deux constituants: les asphaltènes: produits solides apportant au bitume sa cohésion et sa dureté et représentent entre 5 et 20 % du bitume;
les maltènes: produits huileux (molécules moins grosses) dans lesquels baignent les asphaltènes. Les molécules de maltène peuvent être encore séparées par chromatographie en d’autres hydrocarbures: Les saturés (dont les paraffines) qui sont incolores ou légèrement jaunâtre. Ils affectent la viscosité du bitume,
Les aromatiques qui sont des huiles visqueuses de couleur rouge brun foncé. Ils affectent aussi la viscosité du bitume. Les aromatiques polarisés (les résines) qui influencent son adhérence.

Influence de la température sur les propriétés des bitumes

Selon Olard (2003), à basse température le bitume possède un comportement fragile. Il est, par voie de conséquence, susceptible de se fissurer sous l’effet conjugué des conditions climatiques et des contraintes de trafic une fois utilisée en enrobé pour couche de roulement.
Cependant, la fissuration thermique peut être facilement évitée à basse température si l’on utilise un bitume de grade élevé, c’est-à-dire un bitume moins “dur”, et donc moins “cassant” à basse température. Néanmoins, un bitume de grade trop élevé se révèle néfaste vis-à-vis des problèmes d’orniérage (déformations permanentes de la chaussée) à température élevée. Le bitume idéal doit donc être à la fois le moins susceptible possible aux phénomènes de fissuration thermique (à basse température) et d’orniérage (à température élevée). Plus simplement, on doit donc exiger des enrobés deux qualités principales en rapport direct avec la dépendance du liant utilisé vis-à-vis de la température :
la stabilité, de même que la résistance à la déformation permanente qui est aggravée à haute température,
la flexibilité, soit l’aptitude à supporter sans fissures thermiques les basses températures. Ces conditions ont notamment amené les différents groupes pétroliers à développer de nouveaux bitumes pour couvrir ce large intervalle de température (-30 °C à 60 °C) : les bitumes modifiés aux polymères.
Pour résumer, d’après Di Benedetto (1998), outre le vieillissement du matériau, la température a deux effets mécaniques principaux (liés au liant) :
le changement du module du matériau. Un béton bitumineux que l’on chauffe devient plus “mou”. Plus généralement, ces matériaux sont dits “thermosensibles”, c’est- à- dire que leur comportement viscoplastique change avec la température,
la création de contraintes et déformations au sein du matériau en raison des dilatations ou contractions thermiques lors des changements de température.

Influence de la température sur les paramètres rhéologiques et sur la composition des bitumes

D’après Béguin (2003), les propriétés rhéologiques d’un bitume dépendent de façon importante de sa teneur en asphaltènes et de sa masse moléculaire.
A température constante, la viscosité du bitume s’accroît lorsque la concentration en asphaltènes augmente dans une même matrice maltènes. En fait, les asphaltènes peuvent interagir entre eux ainsi qu’avec le milieu solvaté. Lorsque la température augmente, la viscosité diminue en même temps que les associations formées disparaissent. Inversement, lorsque la température décroît, les interactions se produisent et le bitume présente un caractère de plus en plus non-newtonien. Lorsque le bitume est soumis à des efforts de cisaillement, ces associations se déforment ou se défont d’une façon qui n’est pas décrite convenablement selon les concepts newtoniens classiques. Ainsi, aux températures ambiantes et intermédiaires, on conçoit que la rhéologie des bitumes est dominée par le degré d’association des asphaltènes et par la proportion relative des autres composants dans le système afin de stabiliser ces associations. En maintenant constante la teneur en asphaltènes dans le bitume et en faisant varier les autres constituants, on constate que : l’accroissement de la teneur en aromatiques, pour un rapport maintenu constant de saturés sur résines, a peu d’effet sur la rhéologie,
l’accroissement de la teneur en saturés, pour un rapport résines sur aromatiques maintenu constant, ramollit le bitume,
l’addition de résines durcit le bitume, accroît la viscosité mais réduit l’indice de pénétration et la susceptibilité au cisaillement.

Généralités sur les granulats

Origine, type et classes : Les granulats utilisés dans le domaine de la construction routière, sont constitués de sables, de gravillons et/ou de pierres concassées. Leurs diamètres varient en moyenne entre 0,063 mm et 20 mm. À cela, s’ajoutent les fillers qui sont des composants minéraux très fins dont le diamètre supérieur conventionnellement admis est inférieur à 0,063 mm Les granulats des enrobés bitumineux sont d’origine magmatique (granite, basalte, diorite,…) ou métamorphique (gneiss, …) ou encore issus de roches sédimentaires (calcaire,…). Ils sont généralement neufs ou issus du recyclage d’anciennes chaussées bitumineuses. Ces derniers, possédant une angularité plus élevée, sont d’ailleurs préférés pour rendre plus frottant le squelette granulaire et aussi améliorer l’adhérence avec les pneumatiques des véhicules.
Caractérisation : Les caractéristiques granulométriques dépendent de la nature de la roche d’origine (caractéristiques géométriques et propreté). Les caractéristiques géométriques et de propreté peuvent être amélioré en mettant en œuvre des méthodes d’extraction, de fragmentation et de classement appropriées, alors que les caractéristiques mécaniques ne peuvent être que peu influencées par la fabrication.
Analyse granulométrique (NF EN 933-1) : La granulométrie ou l’analyse granulométrique permet de déterminer la répartition en poids des particules minérales d’un matériau suivant leurs dimensions. Masse volumique apparente (NF P 98-250-5) : Elle est définie par le rapport entre la masse et le volume apparent. Elle correspond au poids de matériau contenu dans une unité de volume d’échantillon.
Masse volumique réelle (NF P 18-554) : Elle représente le rapport entre la masse et le volume absolu d’un échantillon de matériau. Le volume absolu est mesuré en immergeant complètement l’échantillon dans un récipient gradué.
Coefficient d’aplatissement (NF EN 933-8) : Il permet de caractériser la forme des granulats et de déterminer le pourcentage d’éléments plats. Ce coefficient compare la grosseur d’un élément granulaire déterminée par tamisage à son épaisseur déterminée par passage sur grille. Le but c’est de déterminer le pourcentage des éléments de forme défavorable (trop plate) qui constituent les passants. Les éléments de forme défavorable présentent plusieurs inconvénients : ils se fragmentent facilement ; ils diminuent la maniabilité du squelette granulaire ; et ils ont tendance à s’orienter selon leur plus grande dimension. Essai Micro-Deval (NF P18-572) : Elle détermine la résistance à l’usure. Un broyeur à billes d’acier, contenant de l’eau, provoque l’usure des gravillons par frottements réciproques avec production d’éléments fins.
Le coefficient MDE représente la proportion d’éléments fins produits pendant l’essai. Plus le coefficient MDE est faible, meilleure est la résistance à l’usure.

Comportement d’un matériau bitumineux en fonction de la température

L’influence de la température est bien connue et est liée à la susceptibilité thermique du liant bitumineux. Plus la température est élevée, plus le liant perd sa rigidité et sa viscosité. La rigidité du mélange diminue et la résistance aux déformations permanentes, qui est assurée par sa cohésion, diminue également. Le mélange est alors plus sensible aux déformations permanentes. Cette influence peut être directement observée sur les essais en laboratoire.
L’orniérage constaté sur les chaussées semble essentiellement se produire pendant les périodes les plus chaudes au cours desquelles des températures de l’ordre de 50°C sont couramment atteintes (GRIMAUX et HIERNAUX, 1977).
D’après VERSTRAETEN (1995), HECK (2001) et DI BENEDETTO et CORTE (2005) l’orniérage n’apparaît qu’à hautes températures. De plus, les observations expérimentales de CORTE et al. (1997) sur le manège de fatigue du LCPC confirment ce résultat. En effet, à partir de 40 ou 45° C, les mécanismes d’orniérage apparaissent, pour un bitume 50/70. A la température de 60 ou 65° C ces phénomènes sont très amplifiés (la profondeur d’ornière est multipliée par deux). Il est donc important de connaître les profils de températures existant au cœur de la chaussée aux différentes heures de la journée. La figure représente un exemple de températures à différentes profondeurs dans une chaussée bitumineuse pendant une journée (journée la plus chaude de l’été pendant la canicule de juillet et août 1969 à Nancy). Lors d’une étude expérimentale, WILLIAMS et PROWELL (1999) ont utilisé des mesures de température dans une chaussée, à trois profondeurs différentes, pendant 25 jours (du 19 juillet au 12août). A la profondeur de 12,7 mm, la température moyenne des plus hautes températures pendant ces 25 jours d’été est 57,5 C ). A la profondeur de 88.9 m, elle est de 49.4 C). A la profondeur de 139.7 mm, elle est de 40.9 C.

Table des matières

Introduction générale
PREMIERE PARTIE : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
Chapitre 1 : Composition et comportement des bitumes -caractérisation des granulats
Introduction
1.1. Composition et propriétés des bitumes
1. 1. 1. Composition chimique
1. 1.2.Propriétés physico-chimiques
1. 1.3. Propriétés physiques et thermo-physiques
1. 1.4. Propriétés mécaniques et rhéologiques
1.2. Influence de la température sur les propriétés des bitumes
1.2.1. Variation de la viscosité en fonction de la température
1.2.2. Variation de la pénétrabilité en fonction de la température
1.2.3. Influence de la température sur les paramètres rhéologiques et sur la composition des bitumes
1.3. Essais de caractérisation des bitumes
1.3.1. Essai de pénétration (NF T 66-004)
1.3.2. Essai de ramollissement bille et anneau (EN 1427)
1.3.3. Température de fragilité FRAAS (EN 1426)
1.4. Généralités sur les granulats
1.4.1. Origine, type et classes
1.4.2. Caractérisation
1.4.2.1. Analyse granulométrique (NF EN 933-1)
1.4.2.2. Masse volumique apparente (NF P 98-250-5)
1.4.2.3. Masse volumique réelle (NF P 18-554)
1.4.2.4. Coefficient d’aplatissement (NF EN 933-8)
1.4.2.5. Essai Micro-Deval (NF P18-572)
1.4.2.6. Essai Los Angeles (NF EN1097-2)
Conclusion
Chapitre 2 : LES ENROBES BITUMINEUX
Introduction
2.1. Les différents types d’enrobés
2.2. Formulation d’un mélange bitumineux : Cas d’un béton bitumineux (NFP 98-130)
2.3. Caractérisation des enrobés
2. 3.1. Essai PCG (NF P 98-252)
2.3.2. Essai Marshall (EN 12697-34)
2.3.3. Essai Duriez (NF P98-251.1)
2.4. Comportement d’un matériau bitumineux en fonction de la température
2.4.1. Comportement à basse température
2.4.2. Comportement à haute température
2.4.3. Déformation des enrobés
2.4.4. Phénomène de fatigue
DEUXIEME PARTIE : RESULTATS DE L’ETUDE EXPERIMENTALE
Chapitre 1 : CARACTERISATION GEOTECHNIQUE DES BITUMES ET GRANULATS
Introduction
1.1. Résultats des essais sur les bitumes et interprétation
1.1.1. Pénétrabilité
1.1.2. Ramollissement bille et anneau
1.3. Résultats d’essais sur les granulats et interprétation
1.3.1. Analyse granulométrique .
1.3.2. Résistance à la fragmentation
1.3.3. Résistance à l’usure
1.3.4. Dureté
1.3.5. Coefficient de forme (ou d’aplatissement)
1.3.6. Masses volumiques apparente et absolue
Introduction
2.1. Formulation du Béton Bitumineux
2-2-Essai Marshall
2.2.1. Fluage Marshall
2.2 .2. Stabilité Marshall
2.2.3. Compacité
2.2.4. Densité
2-3-Essais Duriez
2.3.1. Résistances à 24heures
2.3.2. Résistances à la compression après conservation de 7 jours (à l’air)
2.3.3. Résistances à la compression après conservation de 7 jours (à l’eau ou immergée)
2.3.4. Rapport Immersion/Compression
2.3.5. Densité
2.3.6. Compacité
Conclusion
Conclusion Générale et Recommandations
BIBLIOGRAPHIE
Annexes