Séminaire: EME pour des applications en régions froides
SéminaireDéveloppement des enrobés bitumineux à module élevé (EME) et à haute résistance en fatigue pour des applications en régions froides
Montréal,Le 30 septembre, 2016
La mécanique de la chaussée – En bref
Réunion Technique Groupe
Séminaire: EME pour des applications en régions froides
Définitions
L’approche mécaniste de dimensionnement
La mesure du module complexe
La mesure de la résistance en fatigue
La mesure de la résistance à basse température
Plan
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Les chaussées bitumineuses sont constituées de diverses couches de matériaux:
Couche de surface en matériaux bitumineux
Matériaux bitumineux d’assise
Matériaux granulaires non traités (20 – 50 cm)
Sol d’INFRA
Le design des chaussées bitumineuses
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FR : Couche de forme
QC : Sous fondation FR : Fondation(Traitée)
QC / FR : Sol support
Adapté de la référence LCPC‐SETRA, 1997
QC : Fondation
Ligne D’INFRA
Zone potentiellede retraitement
FR :Plate-forme
Arase deterrasement
QC
: S
truct
ure
de c
haus
sée
FR :
Cor
ps d
e ch
auss
éeTr
aite
men
t:S
tabi
lisat
ion
sol
QC
: C
orps
de
Cha
ussé
eFR
: A
ssis
e
QC: Revêtement FR: Couches de surface1. Roulement
3. Base
2. Liaison1. Roulement2. Liaison
3. Base
Le design des chaussées bitumineusesStructure de chaussée - Terminologie
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Il existe plusieurs méthodes pour le dimensionnement des chaussées, dont certaines sont:
Empiriquele dimensionnement est basée sur des modèles issus d’observations et de corrélations
Analytique‐empirique (mécanistique‐empirique)le dimensionnement est basée sur des modèles de comportement rhéologique
Le design des chaussées bitumineusesApproche de conception
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Globalement, le design d’une chaussée vise à satisfaire deux principaux aspects:
1. Aspect structural
Transmettre les charges
Assurer l’intégrité structurale des couches
2. Assurer une fonctionnalité adéquate
Assurer la sécurité des usagers
Assurer le confort de roulement
Le design des chaussées bitumineusesRôle de la chaussée
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La compréhension du comportement «mécanique» d’une chaussée bitumineuse , nécessite de prendre en considération 2 éléments complémentaires:
L’interaction entre les matériaux des différentes couches au sein de la structure de chaussée;
Les caractéristiques intrinsèques des matériaux traités au liant hydrocarboné
Le design des chaussées bitumineusesComportement mécanique de la chaussée
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Pour mettre en relief les principaux éléments en jeu dans le dimensionnement, il convient dans un premier temps de schématiser le mode de sollicitation.
À cet égard, c’est essentiellement le passage des véhicules lourds qui aura une incidence marquée sur le design structural de la chaussée.
D’un point vue endommagement,On estime que le passage d’un camionest équivalent celui de 40 000 à 100 000 autos.
Le design des chaussées bitumineusesAction du passage d’une roue
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La notion de «chaussée souple»
«chaussée flexible»
Qui se laisse «courber» …Déflexion!
Engendre :une déflexion
L’effet d’une charge sur la chaussée bitumineuse,
Le design des chaussées bitumineusesComportement mécanique de la chaussée
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La notion de «chaussée souple»
«chaussée flexible»
Qui se laisse «courber» …Déflexion!
Engendre :une déflexion
Lorsque le MODULE des matériaux de la structure de la chaussée
La déflexion en surface
Le design des chaussées bitumineusesComportement mécanique de la chaussée
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P
tz
zInfra
Le design des chaussées bitumineusesComportement mécanique de la chaussée
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L’amplitude de t:1- Dépend du MODULE des matériaux de la structure2- Gouverne la durée de vie en fatigue du revêtement
Pour des matériaux à MODULE ÉLEVÉ
la déflexion est RÉDUITE
…réduisant ainsi t
Le design des chaussées bitumineusesComportement mécanique de la chaussée
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C’est la déformation induite à la base du revêtement à chaque passage d’un véhicule lourd
EB
F
SF
Ligne d’INFRA
Chaque passage:Représente 1 cycleDéfini l’amplitude dela déformation : t
x
contraction
extension
x
contraction
extension
x
contraction
extension
À la base des couches «liées»
Le design des chaussées bitumineuses Que représente la déformation t ?
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D’un point de vue «MATÉRIAU», l’effet du passage d’un véhicule se traduit par:
La fatigue des matériaux liés
Initiation de la fissuration dans l’enrobé de base : Loi de Fatigue – Loi de Wöhler
fissurations polygonales dans les traces de roues
Le design des chaussées bitumineuses Que représente la déformation t ?
Propagation de la fissuration dans le revêtement
Le design vise à contrôler le processus de fatigue du revêtement bitumineux, entre‐autres!
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Les matériaux traités au liant hydrocarboné présente 3 caractéristiques intrinsèques importantes:
Ce sont des matériaux «thermosensibles»
Des matériaux qui présentent une susceptibilité cinétique
Ce sont des matériaux vieillissant
Le design des chaussées bitumineusesComportement mécanique des enrobés
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Les matériaux bitumineux présentent une susceptibilité thermique...thermosensibles
Si la température change (…thermo) les propriétés du matériaux
changent (…mécanique)
À haute température l’enrobé est plus déformable
la raideur (…le module )
Le design des chaussées bitumineusesComportement mécanique des enrobés
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Les matériaux bitumineux présentent une susceptibilité cinétique
Si la vitesse de sollicitation change (…cinétique) les propriétés du matériaux
changent (…mécanique)
…vitesse de sollicitation = vitesse du trafic !(urbain vs autoroute)
À basse fréquence (urbain ~3 Hz) l’enrobé est plus déformable
la raideur (…le module )
Le design des chaussées bitumineusesComportement mécanique des enrobés
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Les matériaux bitumineux sont vieillissants…Leur rigidité ÉVOLUE avec le temps
Environnement Oxydation …durcissement du bitume
Eau …perte d’adhésivité bitume/granulat et…perte de cohésion du bitume
Cycles de gel‐dégel…perte de E surtout en présence d’eau
Endommagement sous l’effet du trafic (…fatigue)
Le design des chaussées bitumineusesComportement mécanique des enrobés
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Un des problèmes pour le dimensionnement d’une structure d’une chaussée bitumineuse c’est que la raideur des matériaux bitumineux, le module, change constamment:
Avec les cycles de température...toute l’année durant
Avec la vitesse du trafic...à toutes les heures du jour!
Dimensionnement mécanistique-empiriquePrincipe
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Dans le domaine des chaussées bitumineuses, on associe: La raideur, le module, de l’enrobé
à la notion de Module complexe (E*)…sert à définir l’état de – dans la structure
Dimensionnement mécanistique-empiriquePrincipe
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Une approche mécanistique,c’est prendre en compte l’évolution des efforts dans les différentes couches de la chaussée pour définir leurs épaisseurs.
Pour ça, il faut connaitre les “tensions” et les déformations que subissent les matériaux de la structure de la chaussée sous l’action des poids lourds
Dimensionnement mécanistique-empiriquePrincipe
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On transposeles charges…NÉCAS
Infra
t,calH
t
T (ºC) Climat Trafic
ModèleMulticoucleBirmistert,cal
Analyse - Structure!
Mr
Caractéristiques des matériauxGranulaire Bitumineux
E*Fatigue
Téq
On transpose l’effet du Climat…Tmoy
On considère La vitesse
fr
NÉCAS
E* …
Solution
Hfinal
log t,adm
NDroite deFatigue NÉCAS
H
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t
Le design des chaussées bitumineusesLes enrobés à haut module (EME)
Les EME sont ditsdes enrobés "structurants"
"Ils charpentent la structure"
Ces enrobés permettentune RÉDUCTION de t durée de vie
Les EME sont
utilisés dans l’AssiseQC: fondation ou sous-fondation
FR: Base et Fondation
"Des couches structurantes"
tRevêtement
Assise
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Lorsqu’on traite des EME, il faut bien comprendre lecomportement de l’enrobé :
En petites déformations (E* …VEL)
En fatigue (Loi de Wöhler…loi de fatigue)
Pour les régions froides, il faut ajouter le comportement:
Aux basses températures (…TSRST, autres)
Le design des chaussées bitumineusesLes enrobés à haut module (EME)
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Mesures de Modules Complexes E*
Essai Non-destructif
Température (°C): -35°C à +40°C
Fréquence (Hz) : 20Hz à 0,01Hz
Résistance à la FatigueEssai Destructif
Température : 10 °C Fréquence : 10 Hz
Rhéologie en petites déformationsModule complexe et FatigueModule et Résistance en fatigue au QCMesures de laboratoire – Essai homogène
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Revêtement
t
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
20 40 60 80 100 120 140 160 180Numéro d'acquisition
Déf
orm
atio
n im
posé
e (m
stra
in)
(fr (Hz)
t
Module : rhéologie en petites déformationsPrincipe – Sollicitation sinusoïdale
EB Revêtement
FS
FI
Ligne d’INFRA
x
contraction
extension
x
contraction
extension
x
contraction
extension
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LoadCell
00 44 00
Extenso(3 -120°)
Réalisation usuelle des essais E*
Module : rhéologie en petites déformationsPrincipe – Sollicitation sinusoïdale
Calcul du module complexe et repré-sentation dans le plan Cole-Cole
t
t E1
E2 0
0
|E*|= 00
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LoadCell
00 44 00
Extenso(3 -120°)
Réalisation usuelle des essais E*
Module : rhéologie en petites déformationsPrincipe – Sollicitation sinusoïdale
Calcul du module complexe et repré-sentation dans le plan Cole-Cole
t
t E1
E2 0
0
|E*|= 00
| E1*(T1;fr1) |Toujours indiquer T° et fr (Hz)
… autrement ça ne veut rien dire
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LoadCell
00 44 00
Extenso(3 -120°)
Réalisation usuelle des essais E*
Module : rhéologie en petites déformationsPrincipe – Sollicitation sinusoïdale
Impose même déformation de 40 defMAIS à fréquence plus rapide fr2!
0
1000
2000
3000
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000
E2 (MPa)
E1 (MPa)
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Flexion Quatre-Points
Essai de Fatigue Diamétral
Fixed base
Sinusoidal cyclic loading (force or displacement)
Failure section
Asphalt concrete specimen
Flexion Deux-Points
Résistance en FatigueLes différents essais
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E*
N
Rupture par fatigue : Nf
E0
Nf
Résistance en FatigueEssai de Fatigue de Traction - Compression (T/C)
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Pour plusieurs éprouvettes, on détermine ainsi Nf en changeant l’amplitude de la sollicitation (t)
Log Nf
Log Droite de
Fatigue (Wöhler)
6
10+6
Module
NNf1
0,5
E*n
E*0 1,0
Nf2
2
1 > 2
1
log1
log2
Nf1 Nf2
Résistance en FatigueEssai de Fatigue de Traction - Compression (T/C)
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Log Nf
Log t
Log c1
Droite de Fatigue (Wöhler)
-c21
EssaisLABO
2t1-cN = c (ε )f
Résistance en FatigueDroite de fatigue – Droite de Wöhler
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• La loi de fatigue permet de décrire la durée de vie du matériau suivant l’amplitude de sollicitation, suivant la valeur d’t induit dans le revêtement
e1
t
Résistance en FatigueEssai de Fatigue de Traction - Compression (T/C)
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Résistance aux basses températuresFissuration
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Contrainte de traction dans la direction longitudinale de la
chaussée
Résistance aux basses températuresFissuration
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00.51
1.52
2.53
3.5
0 50 100 150 200 250 300Temps (Min)
Con
trai
nte
(MPa
)
-35
-25
-15
-5
50 50 100 150 200 250 300
Tem
péra
ture
(C)
Contrainte de rupture
Température de rupture
Résistance aux basses températuresEssai TSRST
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MerciDe votre attention