élisation du refroidissement d’une couche de b...
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Modélisation du refroidissement d’une couche de béton bitumineux
M. FROUMENTIN Centre d’Expérimentation Routière 1
Modélisation du refroidissement d’une couche
d’enrobé hydrocarboné à chaud
Michel FroumentinCETE NormandieCentre10, Chemin de la Poudrière76121 Le GrandQuevilly Cedex
Centre d’Expérimentation Routière
Géotechnique routière et matériels de chantier
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Plan de la présentation
Introduction
Pourquoi une modélisation du refroidissement ?
Modèle retenu
Étude en laboratoire:
validation du modèle sur du sable
réponse du modèle sur matériau bitumineux
Étude en chantier
Poursuite de la recherche
Conclusions, perspectives, développement
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Introduction
Travaux initiés dans le cadre du projet européen OSYRIS (20002003) et poursuivis dans l’opération « Modernisation de l’exécution des chantiers routiers » (20012004) du LCPC.
Unités: LCPC Centre de Nantes
LR Rouen Département Chaussées
CER Rouen
CUST ClermontFerrand (TFE ingénieur)
INSA Rouen (stages 2ème année ingénieur)
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Pourquoi une modélisation ? (1/2)
La température du mélange au moment du compactage
est un paramètre important
si le compactage est réalisé sur un enrobé trop chaud:
apparition de fissures dues aux contraintes de
cisaillement
phénomène de fluage (vague devant le compacteur)
si le compactage est réalisé sur un enrobé trop froid:
la compacité visée ne sera pas atteinte
risque de microfissuration
défauts de surface (écrouissage)
la maniabilité du matériau, donc sa "compactabilité" dépend de la température
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Pourquoi une modélisation ? (2/2)
La température est le paramètre qui est de loin le plus susceptible à des grandes variations sur chantier (délais de transports, débit du finisseur, conditions météorologiques)
Les normes (NF P 98130,131,132 etc.) définissent une fourchette de température de fabrication et une fourchette de température de répandage
La température minimale (Tmin) à partir de laquelle le compactage doit être arrêté (dernière passe effective) est définie en fonction de la dureté du bitume
Tmin = Température de ramollissement + 50 °C
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115140145-165 20/30
110130140-160150-17035/50
105125135-155145-16550/70
100120130-150140-16070/100
95115125-145130-150180/220
minimaleoptimale
Température minimale de compactage
Température de
répandage
Température de
répandage
Température de
fabrication de l’enrobé
Classe du bitume
Températures en ° C
Tableau extrait du guide Technique sur le Compactage des enrobés hydrocarbonés à chaud (LCPC juin 2003)
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On définit la durée utile de compactage Dc comme le temps durant lequel la température reste à l’intérieur de l’intervalle:
Température de répandage – Température minimale de compactage
La durée utile de compactage est donc fonction de la nature du mélange mais aussi des conditions météorologiques qui influent
sur la vitesse de refroidissement
La prise en compte de façon précise de l’influence des conditions météo implique la mesure de la température au sein de la couche compactée (à miépaisseur) pour vérifier que la température est
située à l’intérieur de la fourchette
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-=+> 20° C
-==5 à 20 ° C
---< 5° C
vent fort
> 50 km/h
vent moyen
20 à 50 km/h
vent léger
< 20 km/h
température
De l’air (° C)
Dans la situation actuelle, trois situations types sont distinguées
En fonction de la prévision en début de journée rencontrée sur chantier, on donne une durée utile de compactage pour les couches de roulement et de liaison.
Si on autorise la mise en œuvre par temps froid ou pluie fine, il convient de déterminer la durée utile de compactage par mesure de la température.
(informations données dans les tableaux du guide technique sur le compactage des enrobés hydrocarboné à chaud)
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Objet de la modélisation:
L’objectif du modèle développé est de calculer sur chantier la durée utile de compactage en fonction des conditions réelles de mise en œuvre (mélange, épaisseur de la couche, conditions météorologiques).
Cette durée correspond au temps auquel la température en milieu de couche aura atteint une température limite fixée au préalable en fonction du mélange mis en œuvre.
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Couche d’enrobé
Support
Equation de la
chaleur
a : diffusivité
thermique
Échange avec l’atmosphère
p*I
I : rayonnement solaire
p : partie absorbée Convection :
Phi = C(ts – t)
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Travaux utilisés:
• Bossemeyer H.R. (D)
• Corlew J.S. et Dickson P.F. (USA)
• M. Laporte LRPC ClermontFerrand (F)
Modèle 1D utilisant la méthode numérique
de Crank Nicolson (approximation par
différences finies) pour résoudre l’équation
de la chaleur
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Calcul du gradient de température
Exemple de résultat obtenu avec le modèle au cours du refroidissement (plaque sans compactage)
0
20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Température (°C)
Hau
teu
r co
uch
e (m
m)
0 min
1 min
4 min
8 min
16 min
32 min
64 min
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ETUDE EN LABORATOIRE
Phase 1: étude de la réponse du modèle sur du sable
Phase 2: étude de la réponse du modèle sur matériau bitumineux
répétabilité
influence du matériau
influence de l’épaisseur
influence de la température
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Réponse du modèle sur du sable
Sable de Fontainebleau
Le sable est pesé puis mis dans l’étuve dans plusieurs bacs
(température homogène 160165 °C) pendant 12 heures.
Le sable est mis en place dans la cuve, les sondes sont placées aux différentes profondeurs (fonction de l’épaisseur) et l’enregistrement des températures est réalisé pendant 1 heure.
Chaleur massique du sable de fontainebleau = 703 J/kg°K.
Conductivité du sable de fontainebleau = 0.32 W/m°K
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Validation du modèle sur du sable
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
Ecart de température (°C)
Pro
fon
deu
r (%
)
Modalités 8, 12, 16, 20 cm
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Validation du modèle sur du sable
Conclusions
modèle très bien calé à micouche
il faut éliminer les zones situées en surface et au fond (tranches de 2 cm d’épaisseur)
écart observés < 5 % dans la frange 25 à 75 % de l’épaisseur de la couche
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Validation du modèle sur matériau bitumineux
Essais réalisés en laboratoire:
Petites quantités de matériau
conditions constantes (température ambiante, température du support, vent nul, contrôle du compactage)
mise en place des sondes contrôléeMéthodologie:
Fabrication du mélange à chaud
Conservation en étuve
Confection de la plaque, mise en place des sondes
Compactage
Enregistrement du refroidissement (# 4000 sec.)
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Validation du modèle sur matériau bitumineux
Matériel utilisé:Malaxeur MLPC
thermorégulé
BBMAX
Fabrication des éprouvettes
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Validation du modèle sur matériau bitumineux
Mélange des granulats
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Validation du modèle sur matériau bitumineux
Ajout du bitume aux granulats
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Validation du modèle sur matériau bitumineux
Mélange obtenu après malaxage
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Validation du modèle sur matériau bitumineux
Matériel utilisé:Compacteur de plaques MLPC BBPAC
Moule 500 x 180 mm
Roue de compacatge
Enregistreur des températures
Compactage des éprouvettes
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Validation du modèle sur matériau bitumineux
Remplissage du moule avec le mélange
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Validation du modèle sur matériau bitumineux
Mise en place des sondes de température
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Validation du modèle sur matériau bitumineux
sondes de température à différentes profondeurs
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Validation du modèle sur matériau bitumineux
Compactage de la plaque
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Facteur
étudié
Matériau
Température
de début de
compactage
Epaisseur de
la plaque
Compacité
visée
Mode de
compactage(°C) (mm) (%)
répétabilité
(6 plaques)
BBSG 0/10
classe 1 140 85 84
8 passes rapides
température
(3 plaques)
BBSG 0/10
classe 1
120 85 90 16 passes rapides140 85 90 16 passes rapides160 85 90 16 passes rapides
vitesse de
compactage
(1 plaque)
BBSG 0/10
classe 1 140 85 90 16 passes lentes
épaisseur
(2 plaques)
BBSG 0/10
classe 1
140 40 90 8 passes rapides140 100 90 16 passes rapides
matériau
(3 plaques)
grave bitume
0/14 classe2 140 100 90 16 passes rapidesgrave bitume
0/20 classe2 140 100 90 16 passes rapidesBBM 0/10
classe 2 140 40 90 8 passes rapides
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S o n d e à 3 8 m m d e p r o fo n d e u rl ' é c a r t ty p e m o y e n p o u r te m p s > 4 0 0 " e s t d e 3 .1 ° C
0 . 02 0 . 04 0 . 06 0 . 08 0 . 0
1 0 0 . 01 2 0 . 01 4 0 . 01 6 0 . 0
0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0
t e m p s (s )
tem
p
é ratu
re
( ° c )
re p 1
re p 2
re p 3
re p 4
re p 5
re p 6
m o y e n n e
m + 2 E T
m -2 E T
Répétabilité sur enrobé
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Influence du matériau
Sondes plac ées à 58 mm de hauteur
0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
120.0
140.0
160.0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000Temps ( en secondes )
Tem
p
é ratu
re e
n
° C
BBSG 0/10GB 0/14GB 0/20
Ep. 100 mm – compacité 90 % StartTemp= 140 °C
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Comparaison des durées utiles de compactage calculées par le modèle et celles déterminées par la mesure de la température à miépaisseur ( 19 essais de laboratoire)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
StopTime expérience (sec.)
Sto
pTim
e m
od
è le
( sec
.)
"pessimiste" (25 %)
"optimiste" (75 %)
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Premiers essais sur chantier
Sondes placées sur le côté de la couche compactée à différentes
profondeurs
Matériau (épaisseur, compacité, conductivité)
Conditions météo (températures ambiante et support, vitesse vent)
Température de répandage et de fin de compactage
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Premiers essais sur chantier
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Poursuite de la recherche
Évaluation de la prise en compte des caractéristiques
thermiques du mélange (chaleur massique, conductivité)
Validation du modèle sur chantiers réels
étude de l’influence des principaux facteurs
(épaisseur, matériau, conditions météorologiques,
température de répandage), observation des
écarts obtenus (modèle/mesure)
Développement d’un produit industriel (partenariat)
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Conclusions
Modèle simple (temps de calcul court)
Bonne cohérence entre prédiction et réalité (cas de
chantiers à élargir)
Détermination précise de la durée utile de compactage
Paramétrage simple du modèle (épaisseur de la couche)
Traçabilité possible pour une partie des conditions de
mise en œuvre (gestion de la route)
Exploitation possible pour les EBE (?)
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finisseur
modèle
Vitesse vent,
θa, θs, θr
BdD
(carte)
GPS
Dc= 24’
Affichage à l’arrière du finisseur de la durée de compactage et de la tendance ( )
Affichage au conducteur du temps restant pour
finir le compactage
GPS
Autres paramètres de fabrication de mélange (traçabilité)
Le contrôleur consulte la base de données sur
son pocket PC par liaison Wifi