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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


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



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



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



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



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



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



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



La notion de «chaussée souple»

«chaussée flexible»

Qui se laisse «courber» …Déflexion!

Engendre :une déflexion

L’effet d’une charge sur la chaussée bitumineuse,




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




P

t

z

zInfra




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




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 ?



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!



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



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 )




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 )




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)




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



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




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



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



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



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)



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



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



LoadCell

00 44 00

Extenso(3 -120°)

Réalisation usuelle des essais E*


Calcul du module complexe et repré-sentation dans le plan Cole-Cole

t

t E1

E2 0

0

|E*|= 00



LoadCell

00 44 00

Extenso(3 -120°)



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



LoadCell

00 44 00

Extenso(3 -120°)



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)



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



E*

N

Rupture par fatigue : Nf

E0

Nf

Résistance en FatigueEssai de Fatigue de Traction - Compression (T/C)



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

NNf

1

0,5

E*n

E*0

1,0

Nf2

2

1 > 2

1

log1

log2

Nf1 Nf

2




Log Nf

Log t

Log c1

Droite de Fatigue (Wöhler)

-c2

1

EssaisLABO

2t1-cN = c (ε )f

Résistance en FatigueDroite de fatigue – Droite de Wöhler



• 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 aux basses températuresFissuration



Contrainte de traction dans la direction longitudinale de la

chaussée

Résistance aux basses températuresFissuration



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


MerciDe votre attention

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