ECOLE DE TECHNOLOGIE SUPRIEUR E UNIVERSIT DU QUBEC

MEMOIRE PRSENT L'COLE DE TECHNOLOGIE SUPRIEUR E

COMME EXIGENCE PARTIELL E L'OBTENTION D E LA

MATRISE EN GNIE DE LA CONSTRUCTION M.Ing.

PAR KEVIN BILODEAU

PRDICTION D E LA DEFORMATION PERMANENT E SELON LA METHODOLOGI E ESSO : DTERMINATION DE S PARAMTRES POU R DES ENROBS BITUMINEU X

QUBCOIS

MONTRAL, LE 23 SEPTEMBRE 2008

Kevin Bilodeau, 2008

CE MMOIRE A T VALUE

PAR UN JURY COMPOS DE :

M. Daniel Perraton, directeur de mmoire Dpartement de gnie de la construction l'cole de technologie suprieur e

Mme Marie-Jos Noilet , prsidente du jury Dpartement de gnie de la construction l'cole de technologie suprieur e

M. Alan Carter, membre du jury Dpartement de gnie de la construction l'cole de technologie suprieur e

IL A FAIT L'OBJET D'UN E SOUTENANCE DEVAN T JURY ET PUBLIC

LE 12 SEPTEMBRE 2008

L'COLE D E TECHNOLOGIE SUPRIEUR E

PRDICTION DE LA DFORMATION PERMANENTE SELON LA MTHODOLOGIE ESSO : DTERMINATION DE S PARAMTRES POUR DES ENROBS BITUMINEU X

QUBCOIS

Kevin Bilodeau

SOMMAIRE

Au Qubec , l e rsea u routie r es t principalemen t con u d e chausse s souples , soi t un e fondation granulair e revtu e d'enrob bitumineux . Plusieur s dfaut s d e surfac e son t apparents sur les chausses souples. L'ornirag e es t un dfaut de surface trs prsent au Qubec. C e mmoire , traitera d e l a dformation permanent e de s enrobs bitumineux , u n mcanisme qui affecte l'ornirage . L'objectif principa l es t d'tabli r l a lo i d e dformatio n permanent e d e deu x enrob s bitumineux commun s d u Qubec selo n l a mthodologie ESSO . Le s deux enrob s utilis s sont u n enrob semi-gren u ESG-1 0 qu i ser t gnralemen t d e couch e d e roulemen t au x vhicules et , u n enrob bitumineu x EB-1 4 servan t d e couch e d e bas e l a couch e d e roulement. L'essai utilis pou r caractrise r le s enrob s l a lo i d e dformatio n permanent e d e l a mthodologie ESS O es t u n essa i triaxial . C'es t u n essa i d e compressio n cycliqu e sou s chargement axia l rpt d e form e sinusodal e ave c e t san s pressio n d e confinemen t latral. L a variatio n de s condition s d'essa i te l l a contraint e verticale , l e confinement , l a frquence e t l a temprature permettron t d'tabli r le s paramtre s d e l a lo i de dformatio n permanente. Le produi t de cette recherch e es t l'obtentio n d e l a lo i de dformation permanent e pou r les enrobs ESG-1 0 e t EB-14 . L a loi permettra l a prdiction de l'ornirage pou r un e structur e de chausse souple donne suivant la mthodologie ESS O de prdiction de l'ornirage .

Mots-cls : Enrob bitumineux, dformation permanente , ornirage, loi de dformation, mthodologie ESSO , triaxial, compression cyclique

PREDICTION OF THE PERMANENT DEFORMATION ACCORDING TO ESSO METHODOLOGY: DETERMINATION OF THE PARAMETERS FOR THE ASPHALT

CONTRETES OF QUEBEC

Kevin Bilodeau

ABSTRACT

Quebec's roa d networ k i s primaril y designe d wit h flexibl e pavement s tha t consis t o f a granular foundatio n surface d wit h asphal t concrte . Severa l surfac e defect s ar e apparen t on flexibl e pavements . Ruttin g i s on e o f the m an d i s frequentl y observe d o n Quebec' s pavement. Thi s maste r wil l addres s th e permanen t dformatio n o f th e asphalt, a mechanism that increases rutting. The mai n objectiv e i s to establis h a permanen t dformatio n la w fo r tw o asphal t material s used i n Qubec using the ESS O methodology . Th e mixture s use d are one dense grade d asphalt mix : ESG-1 0 use d a s surfac e laye r an d on e coars e grade d asphal t mix : EB-1 4 used as base layer . The tes t use d t o characteriz e th e permanen t dformatio n la w o f ths e mixture s i s th e ESSO methodology tha t consis t o f a triaxia l test . Thi s i s a compressio n tes t unde r axia l cyclic loadin g repeate d sinusodal form with and without confining pressure . The change i n test condition s suc h as : th e vertica l stress , th e confinement , th e frequenc y an d th e temprature will set the parameters of the permanent dformation law. The resui t o f thi s researc h i s the permanen t dformatio n la w fo r tw o mixe s (ESG-1 0 an d EB-14). This law will enable the prdiction of rutting for a flexible pavement structure usin g the ESSO rutting method.

Keywords: Rutting , Asphalt pavement , bituminou s material , flexible pavement , permanen t dformation law, ESSO methodolog y

REMERCIEMENTS

Cette recherch e a t ralis e a u Laboratoir e universitair e su r le s chausses , route s e t

enrobs bitumineu x (LUCREB ) e t es t un e portio n d'u n proje t d e thse su r l a dformatio n

permanente. J e tien s remercie r l'tablissemen t pou r avoi r fourn i le s quipement s

ncessaires l'avancement d e la recherche.

Je voudrais remercie r mo n supen/iseur de mmoir e Danie l Perrato n pour son soutien , son

aide et son encouragement durant ce projet de recherche. J e suis reconnaissant qu'i l m'ait

transmis so n intr t pou r l a recherch e ains i qu e toute s le s connaissance s acquise s e n

collaborant avec lui dans divers projet de recherche.

Je tien s remercie r principalemen t Mathie u Meunie r pou r so n aid e e t s a collaboratio n

dans ce projet de recherche ainsi que tout le temps qu'il a investi pour l'orienter .

Je remercie tout le personnel du dpartement d e gnie de la construction pou r leur aide et

leur soutien , e n particulie r Messieur s Joh n Lescelleur , Alai n Desjardin s e t Franci s

Bilodeau.

Finalement, je voudrais souligne r l e soutien re u de mes parents , de ma famille e t de mes

amis qui ont t une grande source de motivation tout au long de mes travaux.

TABLE DES MATIRES

Page

INTRODUCTION 1

CHAPITRE 1 REVU E DE LA LITTRATURE 5 1.1 Introduction aux enrobs bitumineux 5 1.2 Thorie de l'ornirage (types d'ornires) 8

1.2.1 Ornires grand rayon 8 1.2.2 Ornires petit rayon 8

1.3 Sollicitations induites par le trafic routier dans les enrobs bitumineux 9 1.3.1 Les tats de contrainte l'aplomb d'une charge simple 9 1.3.2 Charges roulantes et chemins de contraintes 11 1.3.3 Nature des sollicitations mcaniques l'origine des dformations permanentes

dans les enrobs bitumineux 12 1.4 Origine physique des dformations permanentes (dformation rversible et non

rversible) 13 1.4.1 Nature incrmental des dformations irrversibles 13 1.4.2 Rle du bitume et du squelette granulaire dans l'origine des dformations

permanentes 14 1.5 Essais caractrisant la dformation permanente des enrobs bitumineux 15

1.5.1 Les essais de simulation 15 1.5.2 Les essais de caractrisation 18

1.6 Mthodes de prdiction de dformation permanente 22

CHAPITRE 2 DESCRIPTIO N D E LA MTHODOLOGIE ESS O DE PRDICTION DE LA DFORMATION PERMANENT E 2 5

2.1 Introduction 25 2.1.1 Description gnrale de la mthodologie 26 2.1.2 Description dtaille 26 2.1.3 Loi de dformation permanente 28

2.2 Dtermination des paramtres A, B, C. D et F 30 2.2.1 Dfinir l'effet des contraintes (A, BetC) 30 2.2.2 Dfinir l'effet de la temprature (D) 30 2.2.3 Dfinir l'effet de la frquence (F) 31

2.3 Calcul de l'ornirage pour un tronon routier 31 2.3.1 Relation gnrale de dformation permanente 31 2.3.2 Calcul de l'ornirage 32 2.3.3 Calcul de la dformation permanente en fonction de l'paisseur des couches 33 2.3.4 Calcul de la dformation au cours d'une journe 36

2.4 La loi gnrale s de la dformation permanente 40 2.5 Effet des conditions d'essais sur la loi de dformation permanente de la mthodologie

ESSO 41 2.5.1 Effet du confinement (OH) sur la loi de dformation permanente de la

mthodologie ESSO 41 2.5.2 Effet de la temprature (T) sur la loi de dformation permanente de la

mthodologie ESSO 43 2.5.3 Effet de la frquence (fj sur la loi de dformation permanente de la

mthodologie ESSO 45

CHAPITRE 3 CAMPAGNE EXPRIMENTALE 4 8 3.1 Programme d'essai 48 3.2 Essai de dformation permanente (compression cyclique) 48

3.2.1 Procdure exprimentale 50 3.2.2 Traitement des fichiers bruts 51 3.2.3 Les paramtres ESSO 56 3.2.4 Prsentation des rsultats 58

CHAPITRE 4 DESCRIPTIO N DE S MATRIAUX UTILISS , DES PROCDURE S D'ESSAIS E T DE PRPARATION DE S PROUVETTES 6 0

4.1 Matriaux utiliss 60 4.1.1 Gros granulats (particules dont la dimension est suprieure 5 millimtres) 61 4.1.2 Granulats fins (particules dont la dimension moyenne est infrieure 5

millimtres) 62 4.1.3 Bitume 63

4.2 Formulation des enrobs utiliss 63 4.2.1 Confection des prouvettes 65 4.2.2 Caractristiques des prouvettes 68

CHAPITRE 5 RSULTAT S DES ESSAIS DE DFORMATION PERMANENT E 7 2 5.1 Courbes d'essais regroupes selon la frquence et la contrainte verticale 72 5.2 Synthse des rsultats 76

CHAPITRE 6 ANALYSE DES RSULTATS 7 8 6.1 Calcul des constantes A, B. C D et F de la loi d'ESSO pour l'enrob ESG-10 78 6.2 Calcul des constantes A, B, C, D et F de la loi d'ESSO pour l'enrob EB-14 95 6.3 Indpendance des constantes B, D et F 97

6.3.1 Indpendance de la constante B 98 6.3.2 Indpendance de la constante D 101 6.3.3 Indpendance de la constante F 70 2

6.4 Simulation de calcul esur e ^^^sus eaicuie 103 6.4.1 Indice de qualit :I0 104 6f-2 ttj^esure ^^''s^s les diffrents i^^^^^^^e 104

6.4.3 Comparaison des indices de qualit 107

CONCLUSION 11 4

RECOMMANDATIONS 11 6

ANNEXE I MTHOD E DES MOINDRES CARRS D'APPROXIMATION 11 8

ANNEXE I I MTHOD E INTGRAL E D'APPROXIMATION 12 0

ANNEXE II I MTHOD E D'CHANTILLONNAGE D E MASSE D'ENROB S

BITUMINEUX L'USINE D'ENROBAG E 12 4

ANNEXE IV ATTESTATIO N D E CONFORMIT D U BITUME 12 6

ANNEXE V COURBE S DES RSULTATS OBTENUS POUR LENROB ESG-10 ET TABLEAU DE RSULTATS POUR TOUS LES ESSAIS 12 8

VI

ANNEXE VI COURBE S DES RSULTATS OBTENUS POUR LENROB EB-1 4 ET

TABLEAU D E RSULTATS POUR TOUS LES ESSAIS 13 3

ANNEXE VII DTAI L DU CALCUL DES CONSTANTES D E LENROB EB-1 4 13 8

BIBLIOGRAPHIE 14 9

LISTE DES TABLEAUX

Page

Tableau 1. 1 Rpartitio n du rseau routier qubcois 1

Tableau 1.2 Modle s couramment utilis s pour dcrire le comportement

l'ornirage d e type fluage des enrobs 2 3

Tableau 3.1 Condition s d'essais pou r chaque enrob test 4 9

Tableau 4.1 Caractristique s des gros granulats utiliss pour la confection des enrobs ESG-10 et EB-14 6 2

Tableau 4.2 Caractristique s des granulats fins utiliss pour la confection des enrobs ESG-10 et EB-14 6 3

Tableau 4.3 Formulatio n des enrobs ESG-10 et EB-14 6 5 Tableau 4.5 Date s de compaction et dates de carottage des prouvettes

d'enrobs EB-1 4 et ESG-10 6 8 Tableau 4.6 Caractristique s physique s et dates de l'essai des prouvettes

d'enrobs EB-1 4 7 0 Tableau 4.7 Caractristique s physiques et dates de l'essai des prouvettes

d'enrobs ESG-1 0 7 1

Tableau 5.1 Synths e des rsultats aux essais de dformation permanent e pour l'enrob ESG-1 0 7 6

Tableau 5.2 Synths e des rsultats aux essais de dformation permanent e pour l'enrob EB-1 4 7 7

Tableau 6.1 Synths e des constantes calcules (A et B) de l'enrob ESG-1 0 avec les constantes correspondantes calcules par Aussedat 8 0

Tableau 6.2 Synths e des constantes calcules (A, B et C) de l'enrob ESG-1 0 avec les constantes correspondantes calcules par Aussedat 8 2

Tableau 6.3 Synths e des constantes D calcules selon la frquence pour l'enrob ESG-1 0 8 7

Tableau 6.4 Synths e des constantes (A , B, C et D) de l'enrob ESG-1 0 e t celles obtenues par Aussedat 8 8

Tableau 6.5 Synths e des constantes F calcules selon la temprature pou r l'enrob ESG-1 0 9 4

Tableau 6.6 Synths e des constantes calcules pour l'enrob ESG-1 0 9 5

Tableau 6. 7

Tableau 6.8

Tableau 6.9

Tableau 6.1 0

Tableau 6.11

Tableau 6.12

Tableau 6.13

Tableau 6.14

Tableau 6.15

Tableau 6.16

Synthse des constantes calcules pour l'enrob ESG-10 et EB-14 9 7

Synthse des constantes B utilises pour l'indpendanc e de s constantes 9 8

Fonctions de correction des constantes D utilises pour les enrobs ESG-10 et EB-14 10 2

Fonctions de correction de la constante F pour les deux enrobs tests 10 3

Pente ^ mesur e et calcule partir des lois de dformation permanente correspondantes de l'enrob ESG-1 0 10 5

Pente ^ mesur e et calcule partir des lois de dformation permanente correspondantes de l'enrob EB-1 4 10 6

Constantes de chaque lo i utilise dans le calcul des indices de qualit 10 7

Pente ^ mesur e et calcule partir des lois de dformation permanente correspondantes de l'enrob ESG-1 0 10 8

Pente ^ mesur e et calcule partir des lois de dformation permanente correspondantes de l'enrob EB-1 4 10 9

Synthse des constantes priori et optimise des enrobs ESG-10 et EB-14 ainsi que celles d'Aussedat 11 3

LISTE DES FIGURES

Page

Figure 1. 1 Classe s de comportement du bitume en fonction d e la dformation et de la temprature 6

Figure 1.2 Courbe s isothermes de la norme du module en fonction de la frquence et la courbe matresse approxime par le modle 2S2P1D 7

Figure 1.3 Regroupemen t des trois types d'ornirage pou r les chausses souples 9

Figure 1.4 Illustratio n des tats de contraintes dans les couches bitumineuse s d'une chausse, l'aplomb d'une roue simple 1 0

Figure 1. 5 Chemi n de contraintes diffrentes profondeur s dans une chausse en bton bitumineux 1 2

Figure 1.6 Princip e des essais triaxiaux chargement rpt sur graves non

traites. Exempl e de rsultats pour q/p=2 1 5

Figure 1.7 Le s simulateurs les plus connus 1 6

Figure 1.8 Mang e de fatigue et diffrentes configurations de la charge 1 8

Figure 1. 9 Dformatio n en fonction du nombre de cycles avec le s trois

phases de la dformation permanente 2 1

Figure 2.1 Courb e Ep de dformation permanente sous chargements cycliques 2 8

Figure 2.2 Contraintes , temprature et taux de dformation permanent e types dans la couche 2 d'enrob bitumineu x 3 3

Figure 2.3 Variatio n de la temprature moyenne d e la couche 2 d'un enrob bitumineux au cours d'une journe 3 5

Figure 2.4 Variatio n du taux d'ornire de la couche 2 d'enrob bitumineu x

au cours d'une journe 3 5

Figure 2.5 Dtai l du cumul de l'ornirage parti e A 3 8

Figure 2.6 Dtai l du cumul de l'ornirage parti e B 3 8

Figure 2.7 Pent e de la dformation en fonction de Oy 4 0

XIII

Figure 2.8 Pent e de la dformation en fonction de Ov pour trois OH diffrents 4 2

Figure 2.9 Courb e de a'' " en fonction de A O H 4 2 0

Figure 2.10 Courb e de ce n fonction de Ov pour troi s tempratures diffrentes 4 4

Figure 2.11 Courb e de a^ ^ e n fonction du A de temprature 4 5

Figure 2.12 Courb e de ce n fonction de Ov pour troi s frquences diffrentes 4 6

Figure 2.13 Courb e de a' ' a en fonction de la frquence 4 6

Figure 3.1 Schmatisatio n des prouvettes pou r l'essai de compression cyclique et localisation des extensomtres 5 1

Figure 3.2 Diffrent s cas de chargement attendu lors de l'application d u signal de contrainte imposer 5 2

Figure 3.3 Exempl e de signal discret de la contrainte avec son approximation par un signal continue 5 3

Figure 3.4 Exempl e de donnes de dformation sur deu x cycles pour un essai type 5 5

Figure 3.5 Exempl e de donnes de P N pour un essai donn 5 7

Figure 3.6 Exempl e de donnes de la relation de la dformation moyenn e totale initiale PE N et le nombre de cycles pour un essai donn 5 8

Figure 5.1 Courbe s de rsultats aux essais de dformation permanent e pou r l'enrob ESG-1 0 7 4

Figure 5.2 Courbe s de rsultats aux essais de dformation permanente pou r l'enrob EB-1 4 7 5

Figure 6.1 Pent e de la deuxime phase de la dformation permanente en fonction de Ov pour l'enrob ESG-1 0 (OH = 0 , T = 30C et f, = 10Hz) 7 9

Figure 6.2 Pent e de la dformation e n fonction de Ov pour l'enrob ESG-10 pour trois confinements diffrents ( T = 30C ; fr = 10Hz) 8 1

Figure 6.3 Courb e de a^" e n fonction de O H pour l'enrob ESG-1 0 (T = 30C ; f, = 10Hz) 8 1

XIV

Figure 6. 4 Pent e d e l a dformation e n fonction de O v pour troi s temprature s diffrentes (G H = 0 ; fr = 10Hz ; ESG-10 ) 8 3

Figure 6. 5 Courb e d e ao ^ e n fonctio n d e AT (O H = 0 ; fr = 10Hz ; ESG-10 ) 8 4

Figure 6. 6 Pent e d e l a dformation en fonction d e Oy pou r trois temprature s diffrentes (G H = 0 ; fr = 5Hz; ESG-10 ) 8 5

Figure 6. 7 Courb e d e a^ ^ e n fonction d e AT (G H = 0 ; f = 5Hz; ESG-10 ) 8 5

Figure 6. 8 Pent e de l a dformation en fonction d e Oy pou r troi s temprature s diffrentes (G H = 0 ; ^ = 1Hz ; ESG-10 ) 8 6

Figure 6. 9 Courb e d e ao ^ e n fonction d e AT (G H = 0 ; fr = 1Hz ; ESG-10) 8 7

Figure 6.1 0 Pent e de l a dformation en fonction d e Oy pour trois frquence s diffrentes (G H = 0 , T = 30C; ESG-10 ) 8 9

Figure 6.1 1 Courb e d e a\ e n fonction d e f r (GH = 0 , T = 30C) 9 0

Figure 6.1 2 Pent e d e l a dformation en fonction d e Oy pou r troi s frquence s diffrentes (G H = 0 , T = 40C, ESG-10 ) 9 1

Figure 6.1 3 Courb e d e aj ; e n fonction d e fr(GH = 0 , T = 40C, ESG-10 ) 9 2

Figure 6.1 4 Pent e d e l a dformation ; en fonction d e O v pou r troi s frquence s diffrentes (G H = 0 , T = 50C, ESG-10 ) 9 3

Figure 6.1 5 Courb e d e ag ' e n fonction d e fr(GH = 0 , T = 50C, ESG-10 ) 9 4

Figure 6.1 6 Cheminemen t d u calcu l de s constante s principale s d e l a lo i d e

dformation permanent e d e l'enrob EB-1 4 9 6

Figure 6.1 7 Tendanc e d e B en fonctio n d e l a frquence 9 9

Figure 6.1 8 Tendanc e d e B en fonction d e l a temprature 10 0

Figure 6.1 9 Tendanc e d e D en fonction d e l a frquence 10 1

Figure 6.2 0 Tendanc e d e F en fonction d e l a temprature 10 2

Figure 6.2 1 Comparaiso n de s indice s d e qualit d e chaqu e essa i ralis pou r l'enrob ESG-1 0 11 0

XV

Figure 6.22 Comparaiso n des indices de qualit de chaque essa i ralis pour l'enrob EB-1 4 (tous les essais) 11 1

LISTE DES ABRVIATIONS E T SIGLES

AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officiais

AFNOR Associatio n franaise de normalisation

APA Asphalt Pavement Analyzer

ASTI\/I American Society for Testing and Materials

BNQ Burea u de Normalisation du Qubec

EB Enrob Bitumineu x

CAS quivalen t de Charge Axiale Simple

ESG Enrob Semi-Gren u

FBE Fil m de Bitume Effecti f

FME Fil m de Mastic Effecti f

GB Grav e bitume

GNM Dimensio n d e Grosseu r Nominal e Maximal e qui correspon d a u tami s d e degr suprieu r a u ^^' tamis qu i retien t plu s de 10 % de particules . (A//W/4 S ; Nominal Maximum Aggregate Size - S n : Grosseu r nominal e maximal e d u squelette granulaire )

HDWT Hambur g Wheel Tracking Devic e

LA Lo s Angeles

LC Laboratoir e des Chausses

LCPC Laboratoir e Centra l des Ponts et Chausses

LUCREB Laboratoir e Universitair e sur les Chausses Route s et Enrobs Bitumineu x

MTQ Ministr e des Transports du Qubec

MTS Mechanica l Testing System

N. C.A. T. National Center for Asphalt Technology

NQ Norme s du Qubec

XIII

N/A

N/D

NF

n/m

PCG

PG

SAAQ

TSRST

V.A.M

VBA

V.C.B

WTT

Non applicable

Non disponible

Norme Franais e

Non mesurable

Presse Cisaillement Giratoir e

Grade de performance d'un bitume {"Performance Grade")

Socit de l'assurance automobil e du Qubec

Thermal Stres s Restraine d Specimen t Tes t (tes t d e retrai t thermiqu e empch)

Vides dans les agrgats minraux

Visual basic application

Vides combls par le bitume

Whell tracking tester

LISTE DES SIMBOLES ET UNITS DE MESURE

a

Pa

Erev

permi p

mesur e

AT

AGH

Ov

G H

(P

(Pa

XV

Yeau Mass e volumique de l'eau (kg/m^)

0 Ornirag e

% Pourcentag e

%/Mc Pourcen t par million de cycles

ag Valeu r initial de la loi de puissance du calcul de la constante F

BQ^ Valeu r initial de la loi de puissance du calcul de la constante D

ag" Valeu r initial de la loi de puissance du calcul de la constante C

a Amplitud e du signal de dformation

aa Amplitud e du signal de contrainte

dj coefficien t de translation

A Constant e de la loi de dformation permanente due l'effet d e contrainte

B Constant e de la loi de dformation permanente due l'effet de contrainte

C Constant e de la loi de dformation permanente due l'effet du confinement

cm Centimtr e

cm^ Centimtr e cube

D Constant e de la loi de dformation permanente due la temprature

Db Densit d u bi tum e

Dga Densit apparent e

Dgb Densit brut e d'u n granula t

Dge Densit effectiv e d'u n granula t

Dmb Densit brut e d e l 'enrob compact

Dmm Densit max imal e d'u n enrob

E* Modul e complex e

XVI

El

E2

|E*|

fr

F

g

G

G*

H.R.

Hz

kg

km/h

kN

kPa

mm

Me

MD

Mg

MPa

N

Module complex e parti e rell e

Module complex e parti e imaginair e

Module dynamiqu e (Norm e d u modul e complexe )

Frquence

Constante d e l a lo i de dformatio n permanent e du e la frquenc e

Gramme

Proportion d e gros granula t

Module complex e d e cisaillemen t

Humidit Relativ e

Hertz

Kilogramme

Kilomtre pa r heur e

KiloNewton

KiloPascal

Millimtre

Million de cycle s

Micro-Deval

Mga Gramm e (10^ )

Mga Pasca l

Newton Nombre d e cycle s

Nombre d e passag e d'essieu x

n Nombr e d'chantillo n

N(6%) Nombr e d e cycl e pou r atteindr e 6 % d e dformatio n suivan t l a droit e d e l a deuxime phas e

XVII

ng

Pa

Pb

Pba

Pb,

PH

s

t

T,e

TM

Tg

pm

V

Vbe

Nombre de giration

Pascal

Pourcentage de bitume dans l'enrob

Pourcentage de bitume absorb par les granulats

Pourcentage de bitume initia l dans l'enrob

Potentiel hydrogn e

cart type

Temps

Temprature

Tonne mtrique

Temprature de transition vitreuse

Micromtre

Vitesse

Volume de bitume effecti f

Moyenne

INTRODUCTION

Entre le s annes 196 5 et 1975 , la valeur du parc autoroutier qubcoi s a doubl, passan t

ainsi de 8 milliards $ 1 6 milliards $ . D e 197 7 1995 , la valeur d u rseau est demeur e

stable approximativemen t 1 8 milliard s $ . Ce s valeur s son t actualise s e n dollar s d e

1995. Pr s de la moiti du rseau routier fut construit i l y a environ 40 50 ans.

Le rseau routie r qubcoi s contien t plu s de 18 3 milliers de kilomtre s de diffrents type s

de chausse rparti s selon la classification fonctionnelle dcrit e au Tableau 1.1 . Parm i ces

types d e chausse , i l y a le s chausse s no n revtue s (san s liant) , le s chausse s rigide s

(liant hydraulique), les chausses souples (liant hydrocarbon) et finalement les chausses

mixtes (bton de ciment recouver t d'enrob bitumineux) .

Tableau 1. 1

Rpartition du rseau routier qubcois

Type de routes Autoroutes

Routes nationales Routes rgionales Routes collectrices

Routes locales Rues

Routes d'accs aux entreprises Total

Kilomtres 4 853 9 640 5 597 7 737

40 076 50 000 65 426 183 329

Source : Ce tableau est tir d'un recuei l de donnes statistiques du MTQ, Les transports au Qubec, p. 24. (MTQ 200)

Depuis sa mise en service, divers dfauts de surface se sont dvelopps en particulier sur

les chausse s souples . Parm i ce s dfauts , le s plu s commun s son t l a fissuratio n

longitudinale

et transversale , l'ornirag e e t l a fissuration pa r fatigue . Le s variation s d e temprature, l e

passage d e vhicule s lourd s e t le s condition s climatique s son t le s principale s cause s d e

ces dfauts sur les chausses souples.

Plusieurs chercheur s s e son t pench s su r le s type s d e dfaut s retrouv s dan s le s

chausses. U n problm e tr s frquen t es t l a fissuratio n observ e su r l a chausse . C e

problme es t entr e autre s cr pa r le s cart s d e tempratur e gnran t ains i de s

contraintes dan s le s couche s bitumineuses . Le s cart s d e tempratur e peuven t tr e

journaliers su r l'ensembl e d u rsea u o u diffrentiel s su r un e portio n d u rseau . I l y a

galement de s problme s dan s le s matriau x bitumineu x lorsqu'i l y a de l a fatigue o u de

l'ornirage dan s les couches bitumineuses .

Les condition s climatique s ngoureuse s qu i prvalen t a u Qube c duran t un e ann e

aggravent l'ampleu r de s dfaut s apparent s dan s le s chausses . Le s grand s cart s d e

temprature observ s a u cour s d'un e journ e o u duran t l'ann e renden t encor e plu s

difficile l e maintien du bon tat du rseau routier qubcois.

Ces diffrent s dfaut s son t l e frui t d e l a sollicitatio n induit e pa r l a circulatio n e t le s

variations de temprature. L a temprature est un phnomne incontournable . Pa r contre,

en c e qu i concern e l a circulation, on remarqu e qu e l e nombre d e vhicules su r le s route s

ne cesse d'augmenter. E t contrairement la croyance populaire , de 2000 2003, ce n'est

pas l e nombr e d e camion s (baiss e d e 0, 2 % ) qu i a augment mai s plut R l e nombr e

d'automobiles (augmentatio n d e 5, 5 % ) (SAA Q 2005-1) . L e nombr e d e camion s (mass e

de 4,5 tonnes e t plus) enregistrs au Canada a atteint 660 450 units versus 17, 8 million s

d'units pou r le s voitures ( < 4,5 tonnes ) e n 200 3 comparativemen t 661 446 camion s e t

16,8 million s d e voiture s pou r l'ann e 2000 . Pa r contre , l e kilomtrag e pa r unit montr e

que le s camion s effectuen t a u moin s quatre foi s l a distanc e qu e chaqu e automobil e

effectue annuellement . Cett e dernire donne es t particuliremen t critiqu e sachant que le

passage d'un vhicul e lour d standard (CAS ) es t quivalen t e n terme d'endommagemen t

plus de 40 000 voitures.

Par contre , malgr cett e lgr e baiss e d u nombr e d e camion s su r le s chausses , l e

tonnage vhicul pa r les transporteurs a u Qubec a cr de 15 8 % avec une augmentatio n

des tonnes-kilomtres sensiblemen t du mme ordre (SAAQ 2005-2).

Par ailleurs , i l es t importan t d e note r qu e l e pourcentag e d'accident s reli a u transpor t

routier au Qubec a augment d e 0,8% en 2004 par rappor t 2003 pou r atteindre u n total

de 14 2 877 accidents (56 535 victimes d'accidents) (SAA Q 2005-2).

De plus , l e tau x d'accident s mortel s a galemen t augment d e 3,9 % pou r cett e mm e

priode (tota l de 647 dcs). D e ce nombre, au moins 30% des accidents es t directement

reli au x condition s d e l a chauss e (ornire s e t un i d e surface) . Le s indemnit s e t le s

contributions verse s au x service s d e sant relie s au x accident s d e l a route totalisaient ,

pour l'anne 2004 seulement, un total de 975 645 000 $. (SAAQ 2005-1)

Au Qubec, le rseau routier gr par le Ministre des Transport du Qubec(MTQ) es t plus

ou moin s 2 9 00 0 k m e t le s somme s d'argen t investie s dan s c e dernie r son t largemen t

insuffisantes pou r l e mainteni r e n bon tat, puisque l e ratio de dollars invest i pa r kilomtr e

( 30 300 $/km) demeure relativement peu lev. (MTQ 2005)

L'ornirage es t u n dfau t d e surfac e qu i n e fai t qu'augmente r l e risqu e d'acciden t su r l e

rseau routier . E n effet, l a prsence d'ornire su r la chausse un e journe de pluie retien t

l'eau et peut causer l'aquaplanage de s vhicules qui y circulent.

Cette tud e traiter a d e l a dformatio n permanent e de s enrob s bitumineu x : l'ornirag e

des chausses souples . L'ornirag e es t reli la dformation permanent e d e l'enrob e n

surface d e l a chauss e suit e a u passag e rpt de s vhicules . L a dformatio n

permanente es t u n suje t proccupan t d e no s jours e t plusieur s chercheur s on t tudi l e

comportement du matriau en vue de comprendre davantage les mcanismes en jeux.

Parmi le s diverse s tude s traitan t d e l a dformation permanent e de s enrob s bitumineu x

analyses, quelque s modle s d e prdictio n on t t rpertoris , comm e le s mthode s

VESYS, AASHTO 2002 et ESSO.

Dans l e cadre d e ce mmoire , nous nou s concentrerons su r l'tud e d e l'applicabilit d e la

mthodologie ESS O dans le contexte qubcois avec l'objecti f d e dterminer l a loi d'ESSO

pour deux enrobs bitumineux couramment utiliss au Qubec.

Au Qubec , l'essa i d'ornireur es t l e seul critre d'acceptatio n d'u n enrob bitumineu x su r

sa performance rsister l'ornirage. Aucu n modl e de comportement n'es t utilis pour

caractriser l'aptitud e un matriau de rsister la dformation permanente .

La mthodologi e ESS O fu t dvelopp e e n Franc e a u cours de s anne s 70 . Brivement ,

cette approche perme t de cerner, partir d'essais d e compression cycliqu e su r prouvett e

cylindrique, le s paramtre s dterminant s d'u n enrob vis--vi s s a dformabilit plastiqu e

(dformation no n rversible : dformation permanente) . L a mthodologie ESS O permet de

dcrire l'volution d e la dformation permanent e la surface de la chausse en service en

suivant un e approch e systmique , prenan t e n compt e l'ensembl e de s couche s d'un e

chausse e t les conditions d e sollicitation (tempratur e e t chargement). Dan s l e cadre de

ce mmoire , de s essai s on t t ralis s pou r paramtre r l e modl e d e dformatio n

permanente ESS O pou r de s enrob s type s courammen t utilis s a u Qube c e n vu e d e

prdire l'volution de l'ornirage d e ces enrobs dans les conditions du Qubec.

Ce mmoir e es t divis e n sep t (7 ) chapitres . L e premie r chapitr e fai t l e poin t su r l a

littrature relativ e au x enrob s bitumineux , l a notio n principal e abord e tan t l a

dformation permanente . L e second chapitre dcrit en dtail la mthodologie de prdictio n

de l a dformatio n permanent e dvelopp e pa r ESSO . L e troisim e e t l e quatrim e

chapitres prsenten t l a campagn e exprimental e e t l a descriptio n de s matriau x tests .

Les rsultat s son t ensuit e prsent s a u chapitr e cin q e t analys s a u chapitr e six .

Finalement, la conclusion et les recommandations font l'objet du dernier chapitre .

CHAPITRE 1

REVUE DE LA LITTRATUR E

Ce chapitre fai t le point sur la littrature disponible en lien avec l e sujet trait dans le cadre

de cette tude . I l traitera de s sujets concernan t l a dformation permanent e d e chausse s

bitumineuses.

1.1 Introductio n aux enrobs bitumineu x

La majorit d u rseau routie r qubcoi s es t revt u de chausses souple s (Gouvernement

du Qube c 2007) . Le s enrob s bitumineu x s e caractrisen t pa r l'utilisatio n d e matriau x

granulaires d e petite s e t grande s dimension s allan t raremen t au-del d e 2 0 millimtres .

L'enrob bitumineu x possd e le s proprit s de s matriau x qu i l e composent . Ce s

matriaux son t le s granulat s e t l e bitume . Le s particule s d u squelett e granulair e son t

retenues les unes aux autres pa r un liant, le bitume. Le s proprits mcaniques du bitume

jouent un rle important dans la rhologie de l'enrob .

Les proprit s mcanique s d u bitume varient fortement e n fonction de la temprature. L e

bitume es t di t thermosensibl e (Cort e t D i Benedett o 2005) . tr s haut e tempratur e

(>150C), i l se comporte te l un liquide newtonien, peu visqueux. E n dessous, de -20C, le

bitume es t rigid e e t agi t comm e u n solid e vitreu x lastiqu e e t fragile . Dan s l a plag e d e

temprature restant e (-20 C +150C) , son comportemen t es t u n mlang e d e ceux cit s

ci-dessus. I l prsente alors un comportement viscolastique linair e et/ou non linaire. L a

Figure 1. 1 montr e les diffrentes classe s de comportement d u bitume selon la dformation

de ce dernier et de la temprature.

1

( umpiiilciin;iil Iraiiik-

Kt _

Solide iastiqui.

CoinponciiKiil duciilc

Bitumes non in.'v.ionicns

.--''' ,Vsci>.c!a.slu]ucs

;lon lincitiie.v

Domaine Ues liants visqueu.x ncwtoniens

\ Liquid e visco-lastique linaire ' ^-^^ \ * 1

-n

calc>nmelrk|uc

rc iHirc

Figure 1.1 Classes de comportement du bitume en fonction de la dformation et de la temprature.

Source : Cett e figure a t tire du livre Matriaux routier bitumineux 1, p. 68. (Cort et Di Benedetto 2005)

Le comportement mcaniqu e du liant est galement sensible la frquence de sollicitation

du matriau . I l s'agit ic i de la susceptibilit cintique . Ell e est due au caractre visqueu x

du bitume . Pa r exemple, lor s d'u n essai d e module complex e su r le bitume , pou r une

mme temprature de sollicitation, le module du bitume est plus lev lorsque la frquence

est leve et le module est plus peti t basse frquence (Cort et Di Benedetto 2005) . C e

mme phnomn e ser a observabl e dan s le s enrob s bitumineu x d au x proprit s

visqueuses que le bitume apporte l'enrob.

Cette sensibilit du comportement mcaniqu e du bitume vis--vi s de la temprature e t de

la vitesse de sollicitation (temp s de chargement), peu t tre interrelie et dcrite pa r ce qui

est conven u d'appele r l e principe d'quivalenc e Temp s - Temprature . C e principe est

utilis avec les enrobs bitumineux . Le s rsultats de modules peuven t ains i tre ramen s

sur un e courbe matress e pou r un e temprature quelconqu e o toutes le s gammes de

frquence - temprature sont reportes l'aide de coefficients de translation a j (Cort et Di

Benedetto 2005) . C e coefficient varie pou r chaque temprature et est gale l'unit pour

la temprature de rfrence.

Le princip e d'quivalenc e Temp s - Temprature es t dfini dan s l e contexte d'u n essai de

module complexe . L e module d'un enrob obtenu pou r un e temprature et une frquence

de sollicitation donn e peu t galemen t tr e obtenu l'aide d'un autr e couple tempratur e

et frquence. L a relation entre les deux couples est obtenue partir d'un coefficien t aj . L e

comportement d e l'enrob bitumineu x peu t alor s tr e reprsent pa r un e courb e uniqu e

(plan Cole-Col e o u espace d e Black ) qu i n'es t influenc e n i pa r l a temprature , n i pa r l a

frquence.

Cette quivalenc e perme t d e rduir e le s courbe s isotherme s e n un e seul e courb e de s

tempratures d e rfrenc e e t d e dfini r le s module s d e l'enrob pou r un e plag e d e

frquences quivalente s beaucou p plu s vast e qu e cell e offert e pa r le s quipement s d e

laboratoire actuels . L a courbe matress e es t alors constitue de s translations parallle s

l'axe des frquences.

La courb e d u modul e d e l'enrob peu t don c tr e paramtr e pa r un e seul e variabl e e n

fonction d e l a frquence e t d e l a temprature e t perme t d'obteni r de s valeur s d e modul e

pour de s frquences inaccessible s pa r l'exprimentation . L a Figur e 1. 2 prsent e le s

courbes isotherme s ains i qu e l a courb e matress e approxim e pa r l e mode l rhologiqu e

2S2P1D pour un enrob bitumineux ESG-10 (PG 70-28).

|E*| (MPa) 100000

10000

1000

100

10

0.0001 0.01 1 100 Frequency (Hz)

10000 1000000

Figure 1.2 Courbes isothermes de la norme du module en fonction de la frquence et courbe matresse approxime par le modle 2S2P1D.

1.2 Thori e de l'ornirage (type s d'ornires )

Dans u n premier temps, i l est importan t de mentionne r qu e le terme ornirag e ser a utilis

dans c e documen t dan s l e context e de s chausse s bitumineuses . Visuellement , l a

dformation permanent e gnr e pa r l e passag e d'u n vhicul e es t no n perceptibl e e n

surface. C'es t l a rptitio n d e l a charg e appliqu e su r l a chauss e qu i perme t l a

visualisation d e la dformation caus e pa r le passage des vhicules. L'ornirag e dsign e

la dformation permanent e laiss e dans le profil transversal de la chausse. I l est gnr

par et croit avec l'action rpt e du passage de vhicules.

Sur le s chausse s e n enrob bitumineux , le s dformation s permanente s son t

gnralement classifies suivant deux principaux types, soit :

ornire s grand rayon

ornire s petit rayon

1.2.1 Ornire s grand rayon

Les ornire s gran d rayo n reprsenten t l a dformatio n permanent e perceptibl e sou s

forme d'u n gran d rayo n l a surfac e de s voie s d e l a chausse . Ell e es t caus e entr e

autres pa r la faible capacit du sol support rsister au x charges applique s la surfac e

de l a chausse pa r les vhicules. Alors , l a couche d'enrob bitumineu x sui t l e tassement

des couche s support s e t l'ornir e gran d rayo n appara t dan s chacun e de s voies , e n

surface de la chausse. L a Figure 1.3 a) illustre ce phnomne.

1.2.2 Ornire s petit rayon

Les ornires petit rayon prsenten t une dformation permanent e suivant un petit rayon

la surfac e d e l a chauss e localis dan s le s trace s d e roues . Dan s c e cas , le s couche s

supports n e subissen t aucun e dformatio n gnr e pa r le s charge s roulantes . I l s'agi t

essentiellement d e l a couche d'enrob qu i se dforme d e faon irrversibl e sou s l a trace

de roue. C e type d'ornire es t caus par deux phnomnes importants . L e premier es t la

post compactio n d e l'enrob suit e s a pos e e n chantier . Ell e cr e alor s de s petite s

ornires n e dpassant pa s l a largeu r d e l a rou e qu i y circule. La Figur e 1. 3 b) montre ce

phnomne. L e deuxim e tan t li l'incapacit d e l'enrob rsiste r l a dformatio n

permanente, c e qu i s e tradui t pa r l a mobilisatio n d u squelett e granulaire . I l y a

dplacement du matriau et la formation de bourrelets de chaque ct de la dpression est

observable. I l s'agi t ici , d'une dgradatio n d e l'enrob bitumineu x qu i n e peu t rsiste r a u

cumul de s dformation s gnre s pa r l e passag e rpt de s charge s roulantes . C e

phnomne est prsent la Figure 1.3 c).

v.v

th

^"^

ittth

tS ti^ii.

' '

10

considrant l'approch e multicouch e dvelopp e pa r Burminster , o n peu t mettr e e n relie f

l'effet d'un e charg e su r l'ta t de contraint e dan s l a structur e d e chauss e ains i idalise .

En utilisan t le s hypothse s suivantes : 1 ) l e matria u bitumineu x es t considr comm e

tant lastique linaire , 2) l'empreinte d e la charge circulair e a un rayon R = 12,5 cm et 3)

une pression de contact quivalant 0,662 MPa . L e calcul selon l'approche de Burminste r

peut tr e ralis l'aide du logicie l Aliz qu i me t en application l'approch e dvelopp pa r

Burminster. L a Figur e 1. 4 montr e l e rsulta t d'un e tell e analys e e n considran t

l'application d'un e charge statique applique en surface.

V

o. .>,: = " H , "

0 ( !

<

.\. V

A

ai-ilr;iitr piiru-ipa k leuumpiv^siHi i

^ ^ . L-tntramlr pnnci ulc de fractii m

.(lipuciirdfls (Whi' s pfopi'.r!uinB?lli ' ^itm-'!^ilt' Ses Mll!U.-J)J!lt

11

a^^ > (T^i > 0^ : En Ai , i l y a un tassement d u matria u suivan t l a direction vertical e e t

une dilatatio n dan s l e sen s horizonta l e t l e matriau es t soumi s un e

compression dans l'axe vertical et horizontal.

^H3 - '^V 3 ^ n /\^^ l a couch e d'enrob bitumineu x agi t ave c le s mme s

caractristiques qu'un e plaqu e soumis e d e l a flexion . L a contraint e

verticale est prs de zro et la contrainte hohzontale agit en traction.

(7v2 - 0 -

a~. l i Mil

Af.> - ( l .c . , ' - i l .4 -II, - /

I - a i > ;

25 a i :

- ( ) ,

12

O.C- q (MPa ) ' = -5im A. : / ^-)5i.:,i ) .\2 ' - -:!;.ti.'f . . lall . ^ l i >

13

- Les importantes variations qualitatives et quantitatives de ces trajets de

chargements, en fonction de la cote considre dans la structure de l a chausse.

Les trait s principau x prcdent s n'illustren t qu e partiellemen t l a complexit de s

sollicitations relle s gnre s pa r l a circulatio n de s vhicule s dan s le s couche s d'enrob

bitumineux. Plusieur s mode s d e sollicitation viennen t s'ajoute r ces principau x traits , en

plus d u comportemen t visqueu x d e l'enrob . galement , l a prsenc e d'effor t d e

cisaillement l a surfac e d e l a chauss e au x zone s d e freinag e e t dan s le s pentes ,

l'interaction de s charge s voisine s dan s l e ca s d'essieu x multiple s o u jumels, (etc) . son t

autant d'lments considrer qu i vont influencer l a dformation permanente de l'enrob .

1.4 Origin e physiqu e de s dformation s permanente s (dformatio n rversibl e e t non rversible)

Lors de l'application d'un e charg e sur la chausse, une dformation es t gnre. Utilisan t

l'hypothse de s petite s dformations , l a dformatio n es t dcompos e e n un e portio n

rversible et une autre irrversible.

1.4.1 Natur e incrmental des dformations irrversible s

En utilisan t l'hypoths e de s petite s dformations , l a dformatio n d'u n enrob bitumineu x

peut tre prsente sous la forme suivante (Cort et Di Benedetto 2005) :

5( t ) -5r '^ ( t ) + 5''""(t) (1.2 )

La petite dformation es t mesure par rapport au temps. Cett e dformation se dcompose

en un e composant e rversibl e e t un e composant e irrversibl e dite s permanentes .

L'ornirage es t essentiellement l e reflet de la portion permanente de la dformation.

- p e r m ^ ^ ) ^ ^ g - p e r m ^ ^ ^ ^ ^ 3 ^

chargements

La dformatio n permanent e d'u n cycl e d e chargemen t es t difficilement mesurabl e e t c'es t

l'effet de cumul des cycles de chargement qu i rend mesurable l a dformation permanent e

en cours . I l faut note r qu e l a frquence d e chargement a une influenc e su r l'impac t d e la

14

dformation permanent e pour le chargement en question. Plu s la frquence de sollicitation

est faibl e plu s l a dformatio n permanent e augmente . Pa r l e fai t mme , l e dommag e

gnr pa r cette application es t lev par rapport une frquence plu s rapide (Cort et Di

Benedetto 2005).

1.4.2 Rl e d u bitum e e t d u squelett e granulair e dan s l'origin e de s dformation s permanentes

Rle du bitume

Les bitume s son t de s matriau x viscolastique s fortemen t therm o susceptibles . Leu r

comportement s'apparent e celu i d'u n fluid e haut e tempratur e e t de s vitesse s d e

sollicitations faibles . C'es t c e caractr e fluid e qu i es t principalemen t associ l a

dformation permanent e de s enrob s bitumineux . L e lian t joue u n rl e importan t dan s l e

dplacement du squelette minral . L a rorganisation des granulats est possible seulemen t

lorsque le liant le permet.

Rle du squelette granulair e

Vu leu r agencement , le s matriau x granulaire s jouen t u n rl e importan t dan s l a

dformation permanent e de s enrob s bitumineux . Leu r rl e peu t tr e expliqu e n parti e

par analogi e ave c l e comportemen t de s matriau x granulaire s no n lis . De s essai s a u

triaxial ralis s su r des matriau x granulaire s no n li s montren t qu e l e nombr e d e cycle s

de chargement joue u n rle important dans l e processus de la dformation permanent e du

matriau. Plu s l e nombr e d e cycl e augmente , plu s le s matriau x granulaire s no n li s

tendent s e dformer . L a Figur e 1. 6 illustr e l e princip e d e l'essa i triaxia l e t l'effe t d e

cyclage sur le matriau analys.

u = a , - n , C I " ) -

4(X)

ChcminN di; conlra:nlLvs

o

i-i, fH l> fZ, I- V ' U V f V

HK) A

/ ^ . ;?(X) / ' ; .

2()

. | , , T - = 1

X ,!(,: =Kf.^

I l - * " ' -

Temps 0 10 0 2

16

Simulateur de trafic

Il exist e plusieur s simulateur s d e trafi c traver s l e mond e qu i permetten t d e simule r l e

passage d'un essie u simpl e sur un e plaque d'enrob (Whel l Tracking Tester : WTT). De s

prouvettes son t a u pralabl e compacte s l'aide du compacteur pneu s pa r actio n d e

ptrissage o u prleve s directemen t e n chantier . Parm i ce s simulateurs , l a Figur e 1. 7

montre les plus connues.

a) l'APA b) le HDWT (FHWA 2005)

c) le PURwheel (FHWA 2005) d ) lornireur MLPC

Figure 1.7 Les simulateurs les plus connus.

Ces essai s son t plu s o u moin s reprsentatif s d e l a dformatio n rell e retrouv e su r le s

rseaux routiers . Il s demeuren t cependan t d e bo n indicateu r d e rsistanc e l'ornirag e

pour les conditions d'essais des simulateurs de trafic.

17

Mange de fatigue LCPC

Le mange de fatigue d u LCP C es t utilis depuis 198 4 sur l e site du LCPC de Nante s en

France. L e sit e dispos e d e troi s anneau x d e rayo n moye n correspondan t 19, 5 m . L e

mange es t form d'un e tourell e central e e t d e quatr e bra s su r lesquel s peuven t tr e

disposes de s charge s roulantes . Le s charge s roulante s peuven t galemen t tr e

combines pou r ralise r de s essieu x simples , tande m o u tride m un e rou e o u roue s

multiples, afi n d e reprsente r l a configuratio n de s essieu x de s vhicule s lourd s su r le s

chausses. L e mang e perme t d e faire circule r le s charges une vitess e allan t jusqu'

100 km/h . L a Figur e 1. 8 illustr e l e mang e d e fatigu e d e Nante s e t diffrente s

configurations possible s de ce dernier. L e mange permet entre autres de simuler l'effet et

les efforts reli s la fatigue e t l'ornirage su r le s matriaux tudis e t mise en oeuvre

l'aide d'un finisseur et de rouleaux compacteurs .

18

Figure 1.8 Mange de fatigue et diffrentes configurations de la charge. Source : Ce s photo s on t t reue s pa r courrie l l e 24 octobre 200 7 pa r l'entremis e d e Juliett e

Sohm travaillant au LCPC de Nantes.

1.5.2 Le s essais de caractrisation

Les essai s d e caractrisatio n permetten t d e connatr e le s paramtre s intrinsque s d e

matriaux donns , chacu n possdan t se s propre s caractristiques . Ce s essai s son t dit s

homognes.

19

Fluage statique en compression simple

Une prouvette d e forme cylindrique es t soumise une charge de compression uniaxiale .

La contraint e appliqu e e t l a tempratur e son t constante s a u cour s d e l'essai . L a

dformation longitudinale est mesure en fonction du temps.

Le rsulta t obten u a u cour s d'essais perme t alor s d e mesure r l e modul e scan t qu i

correspond au rapport entre la contrainte et la dformation obtenue au cours du temps.

S(t,e,a) = (1.4 ) (t) ^ '

Diverses relation s entr e l e modul e scan t e t l'aptitud e de s enrob s bitumineu x rsiste r

aux dformation s permanente s on t t dveloppes . L a socit ptrolir e Shel l propos e

une mthod e quantitativ e d e rsistanc e l'ornirage pou r le s enrobs bitumineu x parti r

des rsultat s de l'essai de fluage statique en compression simple . Le s donnes de l'essai

de fluag e son t croise s ave c le s proprit s thermoviscolastique s d u bitum e contenue s

dans l'enrob examin (Di Benedetto et Cort 2005).

Le mod e d e chargemen t utilis a u cours d e cet essa i diffr e de s sollicitation s complexe s

rellement obtenues dans le phnomne d'ornirage. I l devient alor s difficile d e quantifie r

et d e comprendr e le s mcanisme s d e dformatio n permanent e d u n manqu e

d'informations utile s pour comprendre ces mcanismes.

Essais homognes chargement rpt

Les essai s homogne s chargemen t rpt son t habituellemen t ralis s su r de s

prouvettes d e form e cylindrique . L'prouvett e es t soumis e u n chargemen t axia l d e

forme sinusodal e o u en crneau. Le s chantillons peuven t tr e obtenus pa r carottage i n

situ, de plaques ralise s au compacteur MLP C en laboratoir e o u encore obtenus partir

de la presse cisaillement giratoire.

20

Par rappor t au x essai s d e fluag e statique , ceux-c i permetten t d e ramene r le s aspect s

essentiels de s sollicitation s i n situ . L'applicatio n d'un e rptitio n d e charg e dcharge su r

l'enrob jou e un rle majeur dans l'volution d e la dformation permanent e des matriau x

bitumineux.

Par rappor t au x essai s d'ornireurs , le s essai s chargemen t cycliqu e permetten t d e

connatre l e comportemen t de s enrob s pou r de s contraintes, de s frquence s d e

sollicitation e t des tempratures plu s variables que celles des ornireurs. Cependant , ce s

essais n e permetten t pa s d'tudier l'effe t des rotations de contrainte qu i se retrouve dan s

les conditions relles .

Essai de compression simple rpt sans confinement

Cet essa i consist e soumettr e un e prouvett e cylindriqu e un e sollicitatio n d e

compression sous forme sinusodale ou en crneau.

L'interprtation typiqu e de s rsultat s d e c e typ e d'essa i perme t d e reprsente r l a

dformation permanent e e n fonctio n d u nombr e d e cycle s d'application . L a dformatio n

observe prsent e troi s phases . L a premir e dan s laquell e l a pent e d e l a dformatio n

diminue avec le nombre de cycles jusqu' un certain niveau o la pente demeure stable (la

deuxime phase) . L a dformatio n permanent e mesur e pou r chacu n de s cycle s es t

identique duran t cett e phas e e t un e troisim e phas e o l a vitess e augment e jusqu' l a

rupture d u matriau . L a Figur e 1. 9 montr e le s troi s phase s d e l a dformatio n dan s u n

essai de compression simple rpt sans confinement.

21

Dformation e n pourcentag e e n fonctio n du nombr e d e cycle s

20000 4000 0 6000 0 8000 0 10000 0

Nombre de cycles (N )

Figure 1.9 Dformation en fonction du nombre de cycles avec les trois phases de la dformation permanente.

Ces essai s son t beaucou p plu s reprsentatif s d u comportemen t d e l'ornirag e dan s le s

enrobs bitumineu x qu e le s essai s d e fluag e statiqu e caus e d e l a rptitio n d e

chargement. D l'absenc e d e confinement , ce s essai s semblen t insuffisant s dan s l a

reprsentation d e certain s matriau x bitumineux . Le s enrob s drainant s e t squelett e

granulaire for t son t reconnus comme stable s pou r le s couches de roulement d e chauss e

et l a capacit rsiste r l'ornirag e s e voi t pnalis e lor s d e l a ralisatio n d'essa i d e

compression san s confinement latral . L a premire phas e est associe au comportemen t

d'un enrob un essai de fluage. C'es t la rptition de cycles de chargement qu i perme t

d'atteindre l a portion linaire (Phase 2).

Essai de compression simple rpt confinement constan t

Cet essa i consist e soumettr e un e prouvett e cylindriqu e un e sollicitatio n d e

confinement fix e su r les paroi s du spcimen, appel OH , jumel une compression axial e

variable Oy gnralement sou s form e sinusodale . L a contraint e d e confinemen t es t

22

toujours sou s form e d e compression don c G H > 0 e t l a contrainte d e compressio n Oy es t

toujours plus grande que la contrainte applique pour confiner l'prouvette (O y > GH).

En cour s d'essai , le s dformation s volumique s dan s l'ax e longitudina l e t tangentie l o u

radial son t enregistres. I l est souhaitable d'effectue r de s temps de repos entre diffrent s

cycles d e chargement . Cel a perme t a u matria u d'atteindr e un e certain e recouvranc e e t

les portion s rversible s e t irrversible s peuven t tr e analyse s e n cour s d'volutio n d e

l'essai.

Essai de compression simple rpt confinement variable

De mme que l'essai de compression simple confinement constant , dans l'essai rpt

confinement variable, l'prouvette es t soumise des sollicitations de compression verticale

et d e confinemen t variable . Le s cycle s d e chargemen t de s deu x mode s d e sollicitatio n

peuvent tre avec ou sans dphasage l'une par rapport l'autre. L a contrainte G V doit tre

maintenue plus grande que GH pour viter les problmes de dcollement de l'chantillon en

cours de chargement.

1.6 Mthode s de prdiction de dformation permanent e

La littrature , prsent e plusieur s mthode s dveloppe s pou r prdir e l a dformatio n

permanente de s enrob s bitumineux . Certain s estimen t l'volutio n d e l a dformatio n

permanente e n fonctio n d u nombr e d e cycle s d e chargement , d'autre s e n fonctio n de s

contraintes appliques . D'autre s on t combin l e nombr e d e cycle s d e chargemen t e t le s

contraintes appliques pour dvelopper leurs modles de prdiction.

Le Tableau 1.2 montre divers modles de prdiction de la dformation permanente classs

en fonctio n de s critre s utilis s lor s d u dveloppemen t d e ce s modles . D e tou s le s

modles prsent s dans ce tableau, le modle ESS O de prdiction ser a celu i utilis dans

cette tude. L a modle ESS O de prdiction a t retenue puisqu'i l tient compte des deux

premires phase s du processus de dformation permanente . I l sera expliqu en dtai l au

chapitre 2.

23

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CHAPITRE 2

DESCRIPTION DE LA MTHODOLOGIE ESSO DE PRDICTION DE LA DFORMATION PERMANENT E

2.1 Introductio n

Suite au x diver s modle s d e prdictio n d e l a dformatio n permanent e prsent s a u

chapitre 1 , la mthodologie ESS O de prdiction a t retenue puisqu'ell e tient compte des

deux premire s phase s d u processu s d e dformatio n permanente . L a phas e 3 es t pe u

intressante puisque lorsque la dformation atteint ce niveau de dformation, la vie utile du

matriau es t toute s fin s pratique s termine . Cett e mthod e a t dvelopp e pa r

Aussedat e t ses collaborateurs (Aussedat 1977) .

Cette mthod e perme t parti r d e l a lo i d'u n enrob , d u profi l journalie r d e tempratur e

dans l a chausse , d u profi l journalie r de s contrainte s dan s l a chauss e d'estime r

l'ornirage re l d'une structur e de chausse. L e mthode ESS O est base sur une lo i de

dformation permanent e sou s chargemen t cycliqu e sinusodale . L a littratur e fai t

rfrence un e lo i d e fluag e dynamique . Noton s que , d'un e par t l e chargemen t es t

variable e n cour s d'essa i e t qu e d'autr e par t l'intensit e t l a frquenc e son t relativemen t

faibles sans mettr e en cause des effets d'inertie . E n consquent, nou s parlerons de l a lo i

de dformatio n permanent e sou s charg e cycliqu e sinusodal e plut t qu e d e lo i de fluag e

dynamique. I l perme t d'tabli r u n lie n entr e l a dformatio n permanent e e t l e nombr e d e

passages d'essieux sur un revtement bitumineux .

Deux mode s d e sollicitatio n cycliqu e peuven t tr e utilis s lor s d e l a ralisatio n d'u n essa i

de compressio n cyclique . U n premie r mod e consist e sollicite r l'prouvett e suivan t u n

chargement e n crneau , c'est--dire u n temps d e chargemen t ave c un e contrainte fixe et

un temps d e repo s quivalen t a u temps d e chargement . O n peu t galemen t sollicite r d e

faon cycliqu e l'prouvette , san s priod e d e repos , suivan t u n chargemen t sinusodal .

C'est ce mode de sollicitation qu i a t utilis dans le cadre de nos essais visant caler la

loi d e dformatio n permanent e tir e d e l a mthodologi e ESS O certain s enrob s type s

couramment utiliss au Qubec.

26

2.1.1 Descriptio n gnrale de la mthodologie

La mthodologi e ESS O vis e tabli r l'volutio n d e l'ornirag e e n pourcentag e (% ) d e

dformation pa r millions de cycles de sollicitation (Me).

Le modl e d e dformatio n permanent e d e cett e mthodologi e es t dvelopp parti r de s

rsultats obtenu s d'essai s triaxiau x su r de s enrob s bitumineux . L'essa i consist e

soumettre un e prouvett e cylindriqu e un e contraint e vertical e sinusodal e e n

compression ave c o u sans contraint e d e confinement latral . D e cet essai , la courbe d e

dformation reprsentan t l'volutio n d e la dformation permanent e en fonction du nombr e

de cycle s d e chargement s es t alor s trace . Ce t essa i pren d e n compt e l'effe t cycliqu e

d'application d u chargement qu i existe sur la chausse (le passage de vhicule) e t permet

de faire varie r le s autres paramtre s d'essai , soi t l a pressio n d e confinement , l'amplitud e

de la contrainte verticale, la temprature ains i que la frquence.

2.1.2 Descriptio n dtaille

La mthodologi e ESS O perme t d e prdir e l'ornirag e o u l e cumu l d e l a dformatio n

permanente d'un e structur e d e chausse sous un trafic d e vitesse e t d'intensit donn s

l'aide de s loi s d e dformatio n permanent e tablie s e n compressio n cycliqu e sinusodal e

pour les diffrents matriaux bitumineux .

La mis e e n applicatio n d e l a mthodologi e ESS O prsent e troi s limitation s notable s

inhrentes aux hypothses de base.

1. Ell e n e peu t tre utilise dans l e cas o l a contrainte verticale Oy es t suprieure

10^ N/m^ (IMPa) (Ausseda t 1977) . Noton s que le champ de contrainte effecti f su r

chausse souple dpasse rarement les 10^ N/m^. (Aussedat 1977 )

2. Ell e doi t tre utilise uniquemen t dan s l e cas o la fondation es t plu s rigide que la

couche d e bas e pendan t l't . Le s loi s d e dformatio n permanent e tablie s e n

compression cycliqu e sinusodal e n e son t valable s qu e lorsqu e l a contraint e

isotrope O H est positive, soit en compression. Notamment , les quipements actuel s

27

de laboratoire ne permettent pas d'exercer un e traction isotrope sur une prouvette.

Or, comm e nou s l'avon s soulign l a sectio n 1.3 , d e nombreuse s couche s

bitumineuses d e bas e o u d e surfac e subissen t un e contraint e horizontal e d e

traction quan d elle s son t pose s su r u n suppor t moin s rigid e qu'elle s o u

dpendamment de la profondeur. Leu r comportement la dformation permanent e

ne peut pas tre calcul par cette mthodologie. (Aussedat 1977 )

3. Finalement , l a mthodologie ESS O analyse essentiellement l e comportement d e la

couche d e bas e qu i es t protg e de s ala s d u trafic (freinage , acclration , cte ,

virage) o u a u clima t (tr s for t gradien t d e temprature) . L a couch e d e surfac e

pourrait galement tre tudie, mais pour reste r auss i prs des ralits , i l faudrait

des programmes de calculs et des essais plus sophistiqus. (Aussedat 1977 )

La mthodologi e ESS O tien t compt e dan s le s calcul s d e l'influenc e d e quatr e variable s

juges indpendantes soit :

l a contrainte verticale ; Oy

l a contrainte horizontale : OH

l a temprature ; T

l a frquence : f r

Les prouvette s servan t l a ralisatio n de s essai s cerne r l a lo i d e dformatio n

permanente e n compressio n cycliqu e sinusodal e doiven t ncessairemen t tr e prleve s

de matriau x compact s pa r actio n d e ptrissage . Elle s peuven t alor s tr e carotte s

directement d e l a chauss e o u d'un e plaqu e issu e d'u n compacteu r pneumatiqu e e n

laboratoire. Le s prouvette s fabrique s dan s u n moul e pa r compressio n statiqu e

prsentent un comportement radicalement diffrent .

chacu n de s essai s triaxiaux , l'objecti f d e l'essa i es t d e tracer l a courb e reprsentan t l e

pourcentage d e dformation permanent e e n fonction du nombre de cycles . L a Figur e 2.1

montre un e courb e typ e d e l'volutio n d e l a dformatio n permanent e sou s charge s

cycliques.

28

Dformation permanente (% )

o

Taux de dformation permanente ( )

Nombre de cycles

Figure 2.1 Courbe p de dformation permanente sous chargements cycliques.

De cette relation les paramtres suivants sont calculs :

l a dformation initial e o (exprime e n %) qui es t l'ordonn e l'origine d e l a droite

prolonge dcrivan t l'volutio n d e l a dformation permanent e d e l a phase 2 pa r la

ligne tiret;

l a vitesse de la dformation permanente de la phase 2, = de / dN (exprime en %

/ Me), reprsente par la pente de la droite de la deuxime phase;

l a dur e d e vie 6 % (Ng/ . exprime e n Me ) dfinie comm e l e nombr e d e cycle s

ncessaires pour atteindre une dformation permanente de 6% suivant la pente .

2.1.3 Lo i de dformation permanent e

La mthodologi e ESS O propos e d e dcrir e l a lo i d e dformatio n permanent e e n s e

concentrant essentiellemen t su r l a phas e 2 . O n assum e qu e cett e phas e volu e

linairement et elle est une relation de type ;

29

= ( a v , a H , T , f j (2.1 )

Afin d e prcise r l a relatio n ci-dessus , i l fau t effectue r un e sri e d'essais e n compressio n

cyclique sinusodale en ralisant diverses combinaisons de Oy, d e OH, de temprature et de

frquence. Cel a permettr a d'tabli r l a relatio n e n fonctio n de s condition s d'essai s

imposes.

La mthodologi e ESS O propos e un e relatio n logarithmiqu e d u tau x d e l a dformatio n

permanente de la phase 2, , de la forme suivante :

log = A + B log Ov + C (AOH) + D (AT) + F (Ai,) (2.2 )

Une fois les essais raliss , i l faut dterminer le s constantes A, B , C, D et F de l'quatio n

avant d e pouvoi r fair e l e cumu l d e l a dformatio n permanent e pou r un e structur e d e

chausse donne.

Le calcul de la dformation permanente , l'ornirage , consist e principalemen t intgrer le s

lois propre s chacun de s matriau x bitumineu x d e l a structure de l a chausse ci-dessu s

en fonctio n d e l a profondeu r d e celle-ci . I l fau t note r qu e l e profi l d e temprature , l a

contrainte vertical e e t l a contraint e d e confinemen t varien t su r toute l a profondeu r de s

couches bitumineuses dans la structure de chausse. Ce s derniers sont tablis pa r divers

modles d e prdictio n (Tempratur e mesur e directemen t dan s l a chausse , e t le s

contraintes, calcul suivan t un e mthode , multicouch e lastiqu e te l qu e propos pa r

Burminster) (Huan g 2004 ) Le s rsultat s obtenu s son t des pourcentage s d'ornire s o u de

dformations exprims en millimtre par millions de cycles.

Pour obtenir l'volution d e l'ornirage au cours d'une journe, la mthodologie ESSO exige

de faire le calcul rptiti f de la dformation permanente pou r une condition spcifique (T et

trafic) pou r chaque heure en fonction du profi l de temprature et de multiplier pou r chaque

heure l a prvisio n d u trafi c pa r heur e d e l a rout e e n question . L e rsulta t d e cett e

opration est alors l'ornirag e re l pour une journe. I l est galement possibl e de raliser

le calcul journalier pour obtenir le cumul annuel et du cycle de vie du matriau.

30

Avant d e pouvoi r calcule r l a dformation permanent e selo n l a mthodologie ESSO , i l faut

tout d'abord dterminer les constantes A, B, C, D et F de l'quation 2. 2

2.2 Dterminatio n des paramtres A, B, C, D et F

Aprs avoi r ralis un e sri e d'essai s e n faisan t varie r le s variable s don t l e modl e d e

dformation permanent e (quatio n 2.2) tient compte , i l s'agit de dterminer l'effe t que cela

occasionne su r l e matria u bitumineu x l'tude . Le s effet s son t subdivis s e n troi s

catgories : le s contraintes, la temprature et la frquence de chargement.

2.2.1 Dfini r l'effet des contraintes (A, B et C)

Lors de cette tape, la vitesse de dformation permanent e ( ) es t mesure en maintenan t

une temprature (T ) e t un e frquence (fr ) constantes tou t e n faisan t varie r le s contrainte s

verticale (Oy) et horizontale (OH) , en traant le graphique de (%/Mc) versus Oy (10^Pa).

Cette tap e perme t alors , d e dtermine r le s premier s paramtre s parti r d e l a relatio n

suivante :

log = A + B l o g O v + C OH (2.3 )

O:

A, B, C sont des constantes propres au matriau

2.2.2 Dfini r l'effet de la temprature (D)

Cette tape ser t mesurer l a vitesse d e dformation permanent e ( ) sou s un mme ta t

de contraintes (oy et O H constants tout au long des essais) et une mme frquence mai s

diffrentes tempratures.

L'effet de la temprature est tabli suivant la relation ;

l og i / l og2 = D(Ti -T2) (2.4 )

31

O :

D est une constante.

2.2.3 Dfini r l'effet de la frquence (F)

De cette tape, l'effe t de la frquence su r l a vitesse de dformation permanent e ( ) sou s

un mm e ta t d e contrainte s (o v e t O H constan t tou t a u lon g de s essais ) e t sou s un e

temprature constante est observ.

L'effet de la frquence est alors tabli suivant cette relation :

l o g ( i / 8 2 ) = Flog(fM/fr2) (2.5 )

O:

F est une constante

Notons qu e l a frquence d e sollicitation considrer peu t tre approxim e parti r d e l a

vitesse du trafic, Aussedat nonc e (Aussedat 1977 ) : La frquence, jouant u n grand rl e

dans l a lo i de dformation permanent e comm e dan s l a lo i de module , doi t tr e estime

partir de l a vitesse des poids lourds . Bie n que la relation soi t en fonction de la profondeu r

dans l a structur e e t d e l a rigidit d e cett e dernire , o n peu t e n premir e approximatio n

estimer que :

fr (Hz) = V (km/h) / 6 (2.6 )

2.3 Calcu l de l'ornirage pou r un tronon routier

Maintenant qu e toute s le s constante s d e l a relatio n gnral e d e l a lo i d e dformatio n

permanente son t connues , i l es t possibl e d e calcule r l a prvisio n d e l a dformatio n

permanente ou l'ornirage d'une section de rseau routier .

2.3.1 Relatio n gnrale de dformation permanent e

Aussedat (1977 ) a tablie l a lo i de dformation permanent e pou r un e grave bitum e ayan t

une pntration de 40/50 pour le domaine o :

32

la contrainte Ov varie de 2,5 X 10^ N/m^ 1 x 10^ N/m^

la pression O H varie de 0 3 X 10^ N/m^;

la temprature T varie de 25 40 C;

la frquence fr varie de 0,1 50 Hz.

L'quation ci-dessous , issu e des travaux prsent s pa r Aussedat , es t valable uniquemen t

pour le domaine cit plus haut.

log s = A + BlogOv + CoH + D ( T - 3 0) + Flog fr/1 0 (2.7 )

O:

log s = % / Me

OvetOH = 10^ Pa

T = C

fr = H z

2.3.2 Calcu l de l'ornirag e

Par l a suite , afi n de calcule r l'ornirag e d e l a chausse, i l est primordia l d e savoi r qu e la

prdiction d e l'ornirage pou r u n matriau donn dpend des conditions dan s lesquel s ce

matriau est soumis. C e calcul ne demeure valable que dans les conditions auxquelles i l a

t ralis. Or , dans le calcul de l'ornirage, i l faut d'abord connatre :

la nature de l'enrob (calcu l des constantes);

l'paisseur d e la couche;

la vitesse du trafic;

l'volution des contraintes dans la couche;

l'volution d e la temprature dans la couche.

Lorsque toutes ces conditions sont connues, il est possible de calculer l'ornirage pou r une

structure de chausse donne.

33

2.3.3 Calcu l d e l a dformatio n permanent e e n fonctio n d e l'paisseu r de s couches

Dans u n premie r temps , i l fau t intgre r l'quatio n 2. 7 e n fonctio n d e l'paisseu r d e l a

couche, soit :

Ep_(t) = ]()dy (2.8)

Sachant qu e l a temprature, l a contrainte verticale e t la contrainte de confinement varien t

sur toute l a profondeur d e l a couche, i l faut calcule r l a dformation permanent e a u temps

i , l'quatio n 2.7 , su r chaqu e sous-couch e d e l a couche . Pou r c e faire , o n subdivis e

chaque couches bitumineuses en plusieurs sous-couches de manire cerner la valeur du

taux d e dformation permanent e appropri . L a Figur e 2.2 montr e l a variation de s e n

fonction d e l a profondeu r pou r un e subdivisio n e n 2 0 sous-couche s d e l a couch e 2 d e

manire prendre en considration la variation de OH, O V et T.

Couche 3

Figure 2.2 Contraintes, temprature et taux de dformation permanente types dans la couche 2 d'enrob bitumineux.

34

La Figur e 2.2 divise en deux secfions : la section d e gauche prsent e l'volutio n d u taux

de dformation permanente ( ) e n fonction de la profondeur, alors que la section de droite

prsente la variation de OH , G V et de la temprature en fonction de la profondeur.

La portio n droit e d e l a Figur e 2. 2 montr e l a variation d e l a temprature , d e l a contraint e

verticale e t d e l a contraint e horizontal e e n fonctio n d e l a profondeu r d e l a couche . L a

portion de gauche reprsent e l e calcul de la lo i d'ESSO pou r l'enrob selo n les condition s

relles de sollicitation de la portion de droite.

Notons qu e le s valeurs d e son t calcule s parti r d e l a lo i de dformation permanent e

tablie pou r l'enrob d e l a couch e i suivan t le s essai s d e compressio n cycliqu e

sinusodale traits prcdemment .

Sachant que la dformation permanente va varier en foncfion des conditions de sollicitation

dfinies pa r le couple temprature e t trafic, l a dformation permanent e totale ncessite un

calcul incrmenta l prenan t en compte cette volution. L a mthodologie ESS O propose de

dfinir pou r l a structur e d e chauss e tudi e un e fonctio n prenan t e n compt e l e profi l

journalier d e l a tempratur e e t permettan t d e dcrir e l e potentie l d e dformafio n

permanente pa r unit d e trafic . Cett e relafio n es t tabli e pou r u n profi l d e tempratur e

donn et pour une charge standard de 13 tonnes (CAS).

La Figur e 2. 4 prsent e l e profi l journalie r d e l a tempratur e e t l a Figur e 2. 4 montr e

l'volution d u calcul du taux potentie l d'ornire (mm/Mc ) en fonction de la profondeur pou r

chaque heur e de l a journe en tenant compte des diffrents paramtre s e t des condition s

relles de sollicitation d'une journe (Temprature et charge de rfrence CAS, trafic).

ce stade, les donnes sont toujours en millimtres de dformation permanent e par million s

de cycle s tan t donn qu e l'influenc e d u trafi c re l n' a pa s encor e t pris e e n compt e

dans le cumul des dformations.

35

0) k.

3 S Q.

E

50

45

40

35

30

25

20

15 H

10

5

R S

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Temps (h)

Figure 2.3 Variation de la temprature moyenne de la couche 2 d'un enrob bitumineux au cours d'une journe.

16

14

E E V ^ O) c ^ o ^ d) *^ c 0> < o a X 3 re

12

10

R

ti

4

2

r-1 r i f - 1 n.n n n n 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Temps (h)

Figure 2.4 Variation du taux d'ornire de la couche 2 d'enrob bitumineux au cours d'une journe.

36

2.3.4 Calcu l de la dformation au cours d'une journe

Connaissant maintenan t l e tau x potenfie l d'ornir e pou r chaqu e heur e d'u n cycl e d e 2 4

heures, on procde alors l'intgration d u profi l de charges pou r obtenir l'ornirag e re l Q

de l a structur e bitumineus e d e chausse . Pou r c e faire , i l fau t effectue r l a doubl e

intgration ci-dessous . Soi t multipli pa r l a variatio n dan s l e temp s d u nombr e d e

passages d'essieux de 13 tonnes N(t).

to y , (2.9 )

Par contre , pou r ralise r cett e tape , i l est importan t d e procder a u pralable l'analys e

complte d e l'volufio n d e l'ornirag e d e l a chauss e e n fonctio n d e chaqu e heure ,

puisque l'ornirag e dpen d d e l a tempratur e e t d u trafi c e t qu e ce s deu x dernier s

paramtres doiven t tr e actualiss e n fonction du temps. I l est impossibl e d e procde r

l'analyse complt e e n un e journe san s teni r compt e d e ce s deu x paramtre s chaqu e

heure de la journe. I l faut donc procder une analyse approfondie chaque heure pour

ventuellement dduire le comportement total de la chausse vis--vis l'ornirage pou r une

journe.

Pour ce faire, il faut dterminer l a variation de passage d'essieux normalis s dans le temps

(dN / dt) . L a frquenc e d e passag e es t e n premir e approximafio n calcul e selo n l a

relation suivante :

M - P *c;* T '^(24) ~ "^(13 ) *- ' ' R

/ \ / \ V 100

rp, \ L 100

(2.10)

O

N(24) Nombr e de passages journaliers d'essieux de 13 tonnes : nombre d'CAS

TR Trafi c total journalier dans les deux sens;

PL Pourcentag e d e vhicule s d e plu s d e 1, 5 t d e charg e util e passan t su r l a

chausse (Belgique et France = 20%);

37

V Pourcentag e d e vhicule s d e plu s d e 1, 5 t d e charg e util e passan t su r l a

voie tudie (en gnral V = 50%);

S Nombr e moye n d'essie u pa r poid s lour d d e plu s d e 1, 5 t d e charg e ufil e

(France S = 2,8 en dehors des villes);

P(i3) Frquenc e d e passage s d'essieu x d e 1 3 t quivalen t d u poin t d e vu e d e

l'ornirage l'histogramme re l des frquences de passages des diffrentes

classes d'essieux circulan t en ralit sur la chausse (France 0,30)

Connaissant maintenan t l e paramtre , i l es t possibl e d e complte r l e calcu l d e dt

l'ornirage re l (quatio n 2.9 ) dan s l a chauss e pou r un e priod e quelconqu e d e l a

journe. L e dtai l d u calcu l d e l'ornirag e re l es t prsent au x le s figures 2. 5 e t 2. 6

partir de s graphique s d u tau x potentie l d'ornir e e t d u tau x d e trafi c pou r un e journ e

donne.

38

Profil de la temprature dans la chauss en fonction de la profondeur

Profil des contraintes dans la chausse en fonction d'un CAS

Profil du taux potentiel d'ornire (mm/Mc) en fonction du temps

12 1 6 Tvmps (hjrs)

Tfnps |huri 10 1 5

Mesur en chantier l'aide de thermocouples (3) insrs diffrentes profondeurs dans la chausse ( 1 0 - 5 0 - 1 0 0 mm)

Calcul l'aide du logiciel KEN PAVE et des donnes relatives la composition de la chausse (type d'enrob, E*, paisseur, etc.)

Calcul l'aide de la loi de dformation permanente tablie par ESSO en fonction du profil de temprature et du profil des contraintes

Figure 2.5 Dtail du cumul de l'ornirage partie A.

39

Profil de la rpartition horaire journalire de la circulation Cours ouvrables)

Profil de rvolution de l'incrment de la dformation permanente en fonction de l'heure de la journe et pour un trafic et une vitesse de circulation donns

Profil de rvolution de l'ornirage total de la structure d'une chausse en fonction de l'heure de la journe

1 1

0

1 1

/ \ A. y \ / V, , X \ / V / ^ ' ^ / ^ / ^

y 1 p /

: } 4 ' 9 1 0 I I i : 1 1 4 i ; 1 6

T mp c ili n

r u i:o i : : :: 4

.0

" . O

2 i- j

T*mp ci l i n

Mesur en chantier l'aide de compteurs Calcul en fonction de statistiques et des coefficients de charges (CAS)

Calcul l'aide de la loi ESSO et en prenant en compte le trafic cumul total d'une journe

Trac en prenant en compte rvolution de l'incrment de la dformation permanente de chaque couche de la chausse tudie

Figure 2. 6 Dtail du cumul de l'ornirage partie B.

40

2.4 L a loi gnrale de la dformation permanent e

Aussedat (Ausseda t 1977 ) a observ un e volution quas i linair e dans l e domaine log( )

et log(av) . L e modl e d e l a dformation permanent e es t don c fond l a bas e su r cett e

observafion. I l correspond l'quation suivante :

log = A + B lo g a y (2.11 )

cette quation s'ajouten t le s travaux d'Aussedat e t de ses collaborateurs qu i permetten t

de proposer des relations qu i tiennent compte du confinement latral , de la temprature e t

de l a frquence. Dan s c e domaine, l'hypoths e d e l a linarit d'Ausseda t es t dcrit e pa r

une loi en puissance de la forme

y = a< (2.12)

partir des valeurs exprimentales, les paramtres ao et b de cette relation sont tablis en

minimisant l'erreu r suivan t l'approch e de s moindres carrs . E n reprsentant l a relafion en

puissance sous forme logarithmique, soit :

log(y) = l og (ao ) *b l og (x ) (2.13 )

On retrouv e l a form e d e l a lo i d e dformafio n permanent e repris e pa r l a mthodologi e

ESSO. (quafion 2.11). L a Figur e 2.8 montr e la relafion dcrite ci-dessu s lorsqu e O H = 0,

T = 30''Cetfr= 10Hz .

av(IO'Pa)

Figure 2.8 Pente de la dformation en fonction de Ov-

41

Par association , l a valeu r log(ao ) correspon d l a constant e A d e l a lo i d e dformatio n

permanente d e l a mthodologi e ESSO . Pa r ailleurs , l a constant e B , correspon d

directement la valeur b de l'approximatio n d e la lo i de puissanc e opfimise . L a relatio n

2.11 ser t d e bas e l a lo i d e dformatio n permanent e pou r l a mthodologi e ESSO . Or ,

plusieurs autre s paramtre s dterminant s von t interfre r su r l a rpons e e n dformafio n

permanente d'u n enrob bitumineux . Notamment , l a contraint e d e confinement , l a

temprature e t l a frquenc e son t de s paramtre s tudi s pa r Ausseda t e t se s

collaborateurs. Il s on t valu l'effe t d e chacu n d e ce s paramtre s d e manir e le s

prendre en compte dans la loi de dformation permanente .

2.5 Effe t de s condition s d'essai s su r l a lo i d e dformatio n permanent e d e l a mthodologie ESS O

Afin de quanfifier le s autres constantes de la loi de dformafion permanent e proposes par

la mthodologie ESS O (quatio n 2.2) , i l faut faire varier le s condifions d'essais un e une

et trace r l a mm e relatio n ( e t Oy). Cel a permettr a d e quantifie r pou r u n enrob donn

les constantes C, D et F de la loi de dformation permanente.

2.5.1 Effe t d u confinemen t (GH ) su r l a lo i d e dformatio n permanent e d e l a mthodologie ESS O

L'effet d u confinemen t latra l es t exprim dan s l a lo i ESS O pa r l a constant e C . Pou r

traduire ce paramtre, Aussedat pose , d'une part que les relafions dans le domaine log ( )

et log (Ov) pour divers niveau x d e confinement son t parallle s et , d'autre part , que le taux

de variatio n d e (ao ) d e l a lo i d e puissanc e vari e d e fao n exponenfiell e e n foncfio n d u

confinement. C e qui se traduit par la relafion suivante :

log E = A + B lo g 0 ^ + 0 ^ 0 ^ (2.14 )

Pour le cas OH , la loi de puissance peut s'crire :

y - ao " * x ' " ( X tant OH ) (2.15 )

o btjH est uneconstante pour tous le OH

42

Pour obtenir l a variafion gnre par l'applicafion de diffrents O H , soit le paramtre C, on

vrifie l e dcalage apport dan s l a relafio n ( e t Ov) en fonction d e OH - L a Figur e 2.9

illustre la pente de la dformation en fonction de la contrainte verticale pour trois pression s

de confinements disfinctes.

10,0000 n

1,0000

J 0,100 0

0,0010

0,0001

"r" " ^"^'^'^^^^^^^^^"''''^^^^

^ y =

j y =

y -

a""-/"'"

a^-'x-'-f"

a'-'^x'"" -

.^''

43

Dans ses travaux su r l a mthodologie ESSO , Aussedat e t ses collaborateurs on t constat

que le confinement a une incidence marque sur l'volution d e la dformation permanente .

Le paramtre ao volue selon la loi exponentielle suivante :

a a"^*e '= " (2.16 )

quivalente :

log a 0 = lo g a "/ " + b a (2.17 )

O:

a"""", l a valeu r d e a o lorsque O H =0, soi t l a valeu r d e A d e l a lo i d e dformafio n

permanente d'ESS O e t b , l a pent e quivalen t a u logio(e'') . L a constant e C correspon d

alors b de la loi exponentielle ao de l'quafion 2.17.

Connaissant la valeur du logarithme de a"" , l a relafion devient la suivante

log a g = A + C O H (2.18 )

La constante C est alors un facteur de translafion de la constante A et la loi d'ESSO mis e

jour devient :

log = A + B lo g a ^ + C a ^ (2.19 )

2.5.2 Effe t d e l a tempratur e (T ) su r l a lo i d e dformatio n permanent e d e l a mthodologie ESSO

L'effet de l a temprature es t exprim dans l a lo i ESS O pa r l a constante D . Pou r traduir e

ce paramtre , Aussedat pose , d'une par t que les relafions pou r u n niveau de temprature

donn son t parallle s dan s l e domaine lo g ( ) e t lo g (Ov ) et, d'autre part , qu e l e taux d e

variation d e (ao ) d e l a lo i d e puissanc e vari e d e fao n exponentiell e e n foncfio n d e l a

temprature. C e qui se traduit par la relafion suivante :

Pour le cas T on peut crire :

Avec bx constante pour tous les AT

y = a^^*e ' ' ^ (2.20 )

44

Maintenant, i l fau t mesure r l'influenc e d e l a temprature pou r dtermine r l a constant e D .

La pression de confinement es t alors fixe 0*10^Pa et la frquence maintenue 10 hertz

et o n fai t varie r l a temprature . L a pent e d e l'essa i d e dformatio n permanent e es t

prsente l a Figur e 2.1 1 e n fonctio n