Mémoire de PFE

Spécialité Génie Civil

Etude de la sensibilité du module des enrobés à module élevé, influence de la teneur en liant, de la compacité et du pourcentage

d’agrégats d’enrobé du matériau

Auteur : PY Florian INSA Strasbourg, Spécialité Génie civil

Tuteur Laboratoire : COIN Vincent Responsable d’activité matériaux de chaussées, LRPC Strasbourg

Tuteur INSA Strasbourg : CHAZALLON Cyrille Maitre de conférences

Juin 2010

2

Remerciements

Ma gratitude s’adresse M. COIN, responsable d’activité matériaux de chaussées, mon maître de stage. Son accueil et sa confiance ont rendu ce stage possible et intéressant. Je le remercie aussi pour son amabilité, sa patience et le soutien technique qu’il m’a apporté tout au long du stage.

Je tiens ensuite à remercier l’ensemble du personnel du LRPC de Strasbourg avec qui j’ai eu la chance d’être en contact et de travailler, et plus particulièrement :

- M. KUNTZ, Directeur Général du LRPC de Strasbourg, pour m’avoir accueilli au sein du laboratoire.

- M. ODEON, chef du groupe GTC, pour son accueil au sein du groupe Chaussée.

- M. AUBRY et M. FEESER qui m’ont apporté leur aide et leur soutien dans la réalisation de mes essais.

Je remercie également le personnel du LCPC de Nantes qui m’a accordé du temps et permis d’avancer plus efficacement dans mes recherches, et plus particulièrement :

- M. GAUDEFROY pour son aide dans l’élaboration et l’interprétation des plans d’expérience.

- M. BROSSEAUD pour les renseignements apportés sur les EME.

Mes remerciements s’adressent également à M. MARSAC du LRPC de Angers qui devrait poursuivre cette étude en étudiant la fatigue de l’EME, ce qui donnera sans nul doute une autre dimension à ce projet.

Je remercie également Mme STORCK, ingénieur commercial région Est de Shell bitume, ainsi que les employés de la centrale de Valff pour l’approvisionnement en matériau.

Je tiens enfin à remercier l’équipe d’encadrement de la formation Génie Civil de l’INSA Strasbourg et plus spécialement M. Chazallon pour le suivi du stage.

3

Résumé

Dès mon arrivée dans le laboratoire régional de Strasbourg, je me suis documenté sur les enrobés à module élevé (EME) ainsi que sur l’essai de traction direct type MAER pour en comprendre au mieux son fonctionnement et ses principes. L’autre grande partie de cette étude bibliographique fut la compréhension générale de la méthode des plans d’expérience. Cette méthode a permis de fixer, par une démarche scientifique, le nombre et les essais à réaliser pour répondre aux attentes du laboratoire dans le temps imparti.

Le travail demandé par le laboratoire, outre l’exécution et l’exploitation des essais de module préalablement défini par le plan d’expérience, était l’élaboration complète de l’EME. Cette élaboration est constituée de diverses étapes toutes aussi importantes les unes que les autres et demandant chacune une attention particulière.

J’ai tout d’abord mené une étude de recomposition (basée sur une étude de formulation récente d’une entreprise de travaux publics) qui m’a permis de calculer les masses de constituants nécessaires (filler, granulats, agrégats d’enrobé et bitume). Une fois ces matériaux récupérés, j’ai réalisé des essais de caractérisation sur les différentes coupures granulaires et les agrégats en vue d’affiner leurs dosages dans la formulation.

Cette phase amont terminée, j’ai pu me familiariser avec la fabrication des plaques d’enrobé à proprement parlé. Ainsi, j’ai pu réaliser les différents mélanges à chaud, malaxer l’ensemble des matériaux pour ensuite compacter et obtenir une plaque d’enrobé. Ceci m’a permis de me rendre compte de certaines difficultés pratiques, notamment vis à vis du compactage de plaques à certaines caractéristiques imposées qui semblent ainsi peu compatibles.

Une fois les diverses opérations de découpage des éprouvettes réalisées (sciage, carottage et surfaçage), j’ai dû caractériser précisément les éprouvettes fabriquées. J’ai ainsi pratiqué divers essais, notamment concernant la détermination des vides de l’enrobé (par diverses méthodes que sont le banc gamma, la méthode géométrique et la méthode hydrostatique) et de sa teneur en liant.

J’ai enfin pu mettre en pratique les connaissances théoriques acquises lors de la phase bibliographique en manipulant et réalisant les différents essais de traction MAER aux différentes températures et temps de charge définis par la norme. Ces essais de module ont été suivis d’une interprétation via un logiciel statistique qui a permis d’exploiter au mieux les résultats du plan d’expérience et de mettre en évidence les facteurs déterminant sur les performances mécaniques et d’en déduire un modèle mathématique associé utilisable dans les limites du domaine d’étude.

Mots clés : matériaux de chaussée – enrobé à module élevé (EME) – performances mécaniques des EME – essais MAER - module de rigidité

4

Sommaire 1. Introduction ......................................................................................................................... 7

2. Présentation du CETE et du LRPC ..................................................................................... 9

2.1. Le CETE ...................................................................................................................... 9

2.2. Le LRPC de Strasbourg ............................................................................................... 9

2.2.1. Présentation générale .......................................................................................... 9

2.2.2. Le Groupe Chaussée (G2) .................................................................................. 10

3. Les enrobés à module élevé .............................................................................................. 11

3.1. Définition et contexte normatif de l’EME ................................................................. 11

3.1.1. Définition ............................................................................................................ 11

3.1.2. Contexte normatif ............................................................................................... 11

3.2. Historique .................................................................................................................. 12

3.3. Caractéristiques des EME .......................................................................................... 12

3.3.1. Les différents niveaux de l’épreuve de formulation ........................................... 12

3.3.2. Les performances attendues de l’EME ............................................................... 14

4. Détermination de la quantité d’essais à réaliser – Plan d’expérience ............................... 16

4.1. Objectif et problématique de l’étude ......................................................................... 16

4.2. Plan d’expérience ...................................................................................................... 17

4.2.1. Principe .............................................................................................................. 17

4.2.2. Plan adopté : carré latin 33-1 .............................................................................. 17

4.3. Partenariat avec le LRPC d’Angers ........................................................................... 19

5. Les matériaux .................................................................................................................... 20

5.1. Provenance et caractéristiques des matériaux............................................................ 20

5.1.1. Granulats ............................................................................................................ 20

5.1.2. Filler d’apport .................................................................................................... 20

5.1.3. Bitume ................................................................................................................. 20

5.1.4. Agrégats d’enrobés ............................................................................................ 21

5.2. Quantités des constituants ......................................................................................... 21

6. Planning ............................................................................................................................ 23

7. Analyse granulométrique et teneur en liant ...................................................................... 24

7.1. Préliminaires .............................................................................................................. 24

7.2. Analyse granulométrique ........................................................................................... 24

7.2.1. Objectif de l’analyse ........................................................................................... 24

7.2.2. Interprétation des résultats de l’analyse granulométrique ................................ 24

7.3. Teneur en liant ........................................................................................................... 27

8. Formulation du mélange bitumineux ................................................................................ 28

8.1. Etude de formulation ................................................................................................. 28

8.2. Calcul des quantités ................................................................................................... 30

9. Confection de la plaque d’enrobé ..................................................................................... 31

5

9.1. La fabrication ............................................................................................................. 31

9.2. Le compactage ........................................................................................................... 32

9.3. Observations .............................................................................................................. 32

10. Sciage, carottage et surfaçage ........................................................................................... 34

10.1. Sciage de la plaque .................................................................................................... 34

10.2. Carottage des éprouvettes .......................................................................................... 34

11. Détermination de la teneur en vides .................................................................................. 36

11.1. Méthodes utilisées ..................................................................................................... 36

11.2. Résultats obtenus et interprétation ............................................................................. 37

11.2.1. Interprétation générale ................................................................................... 37

11.2.2. Comparaison des différentes méthodes utilisées ............................................ 39

11.2.3. Conclusion ...................................................................................................... 42

12. Détermination de la teneur en liant ................................................................................... 43

12.1. Méthode et résultats ................................................................................................... 43

12.2. Résultats et interprétation .......................................................................................... 44

12.3. Cause ......................................................................................................................... 44

12.4. Conséquence .............................................................................................................. 45

13. Essai MAER ...................................................................................................................... 46

13.1. Préliminaires .............................................................................................................. 46

13.2. Divergence de procédure avec la norme .................................................................... 46

13.3. Résultats obtenus ....................................................................................................... 47

13.4. Incertitude de mesure ................................................................................................. 48

14. Interprétation des résultats ................................................................................................ 49

14.1. Préliminaires .............................................................................................................. 49

14.2. Poids des effets .......................................................................................................... 49

14.3. Modèle mathématique ............................................................................................... 50

14.4. Limites de l’étude ...................................................................................................... 51

14.5. Résultats du plan d’expérience complet .................................................................... 52

14.6. Observations .............................................................................................................. 54

14.7. Fuseaux de passage .................................................................................................... 58

15. Compétences acquises ...................................................................................................... 59

16. Conclusion ........................................................................................................................ 60

Bibliographie ............................................................................................................................ 62

6

LISTE DES FIGURES

Figure 1. Organigramme du groupe Chaussée ...................................................................................................... 10 Figure 2. Niveaux de l’épreuve de formulation .................................................................................................... 13 Figure 3. Représentation graphique du plan carré latin adopté ............................................................................. 18 Figure 4. Comparaison des courbes granulométriques effectuées par EUROVIA et au LRS ............................... 25 Figure 5. Analyses granulométriques du sable ...................................................................................................... 26 Figure 6. Schéma d’une plaque d’enrobé réalisée ................................................................................................. 32 Figure 7. Eprouvettes C2 à gauche à 3% de vides et D2 à droite à 2,2% de vides ................................................ 33 Figure 8. Plan de sciage ........................................................................................................................................ 34 Figure 9. Plan de carottage (exemple de la plaque EME A (Ag=20%, TL=5% et V=5%)) .................................. 35 Figure 10. Exemple de « I » paraffiné (« I 12») utilisé pour la méthode hydrostatique ........................................ 36 Figure 11. Gradient de teneur en vides sur la hauteur d’une plaque ..................................................................... 38 Figure 12. Comparaison des méthodes de détermination du pourcentage de vides d’un enrobé .......................... 39 Figure 13. Comparaison des méthodes sur éprouvettes cylindriques .................................................................... 41 Figure 14. Extraction de liant : panier contenant de l’enrobé avant et après l’essai ............................................. 43 Figure 15. Poids des facteurs donnés par Statgraphic ........................................................................................... 49 Figure 16. Représentation graphique de Pareto du poids des facteurs .................................................................. 50 Figure 17. Comparaison des valeurs observées aux valeurs prédites .................................................................... 54 Figure 18. Influence de la teneur en liant sur le module d'un EME ...................................................................... 55 Figure 19. Influence de la teneur en vides sur le module d'un EME ..................................................................... 56 Figure 20. Influence de la teneur en agrégats sur le module d'un EME ................................................................ 57 Figure 21. Fuseaux de passage en compacité du module d’un EB14-EME2 contenant 0% d’agrégats ................ 58

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1. Extrait NF EN 13108-1 concernant un EME 0/14 de classe 2 ............................................................ 11 Tableau 2. Epaisseurs d’utilisation par couche ..................................................................................................... 15 Tableau 3. Formule de Moutier pour les graves bitumes ...................................................................................... 16 Tableau 4. Ordre des essais et dénomination des plaques d’enrobé correspondante ............................................ 19 Tableau 5. Quantité totale de matériaux à prélever ............................................................................................... 21 Tableau 6. Teneur en liant des agrégats ................................................................................................................ 27 Tableau 7. Explication du principe de l’étude de formulation. Exemple de la plaque sans agrégats .................... 29 Tableau 8. Quantité de matériaux nécessaires pour la réalisation des 9 plaques du plan d’expérience ................ 30 Tableau 9. Désignation utilisée pour référencer les plaques ................................................................................. 35 Tableau 10. Récapitulatif des teneurs en vides obtenues ...................................................................................... 37 Tableau 11. Comparaison teneur en vides du banc gamma aux valeurs initialement souhaitées .......................... 37 Tableau 12. Teneurs en liant réelles ...................................................................................................................... 44 Tableau 13. Plan d’expérience revu et adopté ....................................................................................................... 47 Tableau 14. Résultats complets (% Ag, teneur en liant, % vides, modules et incertitudes de mesure) ................. 48 Tableau 15. Valeurs de module des EME du plan d’expérience complet ............................................................. 53

7

1. Introduction Dans le cadre de chantiers routiers, les matériaux de type enrobé à module élevé (EME) sont largement utilisés sur le territoire français. Ces matériaux ont des propriétés mécaniques très intéressantes qui leur offrent de très bonnes performances mécaniques en termes de résistance à la fatigue et de module, ce qui permet de réduire l’épaisseur des couches d’assise.

L’autorisation de mise en œuvre de ce genre de matériaux est la plupart du temps conditionnée par la réalisation d’essais de laboratoire et par le respect des seuils de performance conformément à la norme européenne en vigueur. Ces performances ne sont donc valables que pour une composition bien définie et un compactage fixé. Or, les aléas de chantier ne permettent pas de garantir ces différents critères et entrainent parfois des écarts sur le dosage des constituants et la mise en œuvre du matériau, ce qui peut provoquer une diminution importante de la durée de vie de la chaussée.

L’état actuel des connaissances ne permet pas de prédire précisément l’effet d’un sous compactage de l’EME ou d’un sous dosage en liant sur le module de ce type d’enrobé. Ainsi, à défaut d’autres données sur le sujet, il est courant d’utiliser un modèle mathématique qui est à priori inadapté. En effet, ce modèle a été défini pour un autre type de matériaux, les graves bitumes, dont les caractéristiques, teneur en liant (plus faible) et nature du liant (moins dur), diffèrent de celles de l’EME.

La préservation des ressources non renouvelables exigée dans le cadre de la mise en œuvre du Grenelle de l’environnement incite les entreprises de construction routière au réemploi et au recyclage des matériaux bitumineux. Tout comme la teneur en liant et le pourcentage de vides, l’influence de la teneur de ces agrégats sur les propriétés de l’EME est encore mal connue bien que le recyclage soit fortement pratiqué (recyclage des enrobés drainants – base dure dans les EME – pratique française et hollandaise très répandue).

L’objectif de cette étude portera donc sur le développement d’un modèle mathématique permettant d’estimer l’influence d’un sous dosage en liant, d’un sous compactage et la présence en quantités plus ou moins importante d’agrégats d’enrobé sur les performances mécaniques d’un EME fabriqué à partir de granulats silico-calcaires d’Alsace. Par ailleurs, cette étude se basera sur une formulation d’enrobé existante et répondant aux niveaux d’exigence prescrit dans la norme.

Dans ce mémoire, nous présenterons dans un premier temps le Centre d’Etudes Techniques de l’Equipement (CETE) et plus particulièrement le Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées (LRPC) de Strasbourg. Ensuite, nous discuterons de l’EME de façon générale en abordant notamment différentes thématiques telles que son développement historique et ses propriétés mécaniques fondamentales. Nous étudierons ensuite la méthode

8

des plans d’expérience, démarche utilisée pour la détermination du nombre et le choix des essais à réaliser. Nous nous intéresserons également aux différentes opérations nécessaires à la confection des éprouvettes cylindriques en vue l’essai de traction (calcul des quantités de matériaux, étude de formulation, fabrication des plaques d’enrobé, sciage, carottage, surfaçage et encollage des casques) ainsi qu’aux différents essais réalisés pour caractériser au mieux les matériaux d’apport (analyse granulométrique et teneur en liant des agrégats). Nous discuterons également des essais réalisés pour caractériser les enrobés fabriqués (teneur en liant, pourcentage de vides), faisant par la même une analyse critique de ces procédés. Nous présenterons ensuite l’essai MAER, les résultats de module obtenus et leur interprétation. Enfin, nous terminerons par une partie concernant les compétences acquises lors de ce projet avant de conclure sur l’étude menée.

9

2. Présentation du CETE et du LRPC 2.1. Le CETE

Une présentation globale et sommaire du Centre d’Etudes Techniques de l’Equipement (CETE) est disponible en annexe 1. Dans ce rapport, seul est présenté le Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées (LRPC) de Strasbourg et plus particulièrement le groupe Chaussée dans lequel la présente étude a été effectuée.

2.2. Le LRPC de Strasbourg

2.2.1. Présentation générale Le Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées de Strasbourg a été crée en 1966. Il fusionnera en 1971 avec le Laboratoire Régional de Colmar pour ensuite être intégré au CETE de l’Est en octobre 1973, date de création du CETE. Il compte à ce jour une soixantaine d’ingénieurs et techniciens qui mobilisent leurs compétences prioritairement en Alsace, sur le Territoire de Belfort et l’arrondissement de Saint-Dié des Vosges.

Le laboratoire de Strasbourg est composé des services généraux et de cinq groupes techniques (G1 à G6) comprenant :

- Groupe Géotechnique – Terrassement – Chaussées, divisé en deux sous groupes (G1 = Géotechnique + Terrassement et G2 = Chaussées) ;

- Groupe Ouvrage d’Art (G3) ;

- Groupe Construction (G4) ;

- Groupe Acoustique (G5) ;

- Groupe Méthodes physiques (G6).

L’organigramme simplifié du LRPC de Strasbourg est donné en annexe 2 pour information.

Il est également important de noter que le LRPC de Strasbourg est accrédité par le COmité FRançais d’ACcréditation (COFRAC) pour une partie de ses activités Essais (norme EN45001) qu’il réalise soit dans le cadre de ses prestations propres, soit pour l’application des procédures de certification. De plus, pour satisfaire au mieux ses clients et partenaires, le laboratoire de Strasbourg est engagé dans une démarche de certification selon le référentiel de la norme ISO 9001 sur le champ de l’ensemble de ses activités.

10

2.2.2. Le Groupe Chaussée (G2)

L’organigramme fonctionnel du groupe Chaussée au 01/01/2010 est le suivant :

Figure 1. Organigramme du groupe Chaussée

Les domaines d’intervention du groupe G2 sont les suivants :

- Activité 1 : Dimensionnement et auscultation: études technico-économiques, assistance technique, détermination des caractéristiques structurelles et de surface, suivi gel-dégel, expertise.

- Activité 2 : Matériaux de Chaussées : assistance technique (participation à la rédaction des dossiers de consultation des entreprises, assistance en phase chantier…), vérification de la qualité des ouvrages (contrôle extérieur), études de formulation des enrobés et expertise.

11

3. Les enrobés à module élevé 3.1. Définition et contexte normatif de l’EME

3.1.1. Définition

Le dictionnaire de l’entretien routier de l’Observatoire National de la Route définit l’EME de la manière suivante : « Enrobé préparé à partir d’un mélange de liant hydrocarboné, de granulats (éventuellement de dopes) et/ou d’additifs minéraux ou organiques, dosés, chauffés et malaxés dans une installation appelée centrale d’enrobage. Ils sont destinés à la réalisation des assises dans le cadre de travaux neufs ou de renforcements de chaussées. On distingue deux classes de performance classe 1 et classe 2. Les granularités les plus utilisées sont 0/10, 0/14 et 0/20 ».

3.1.2. Contexte normatif

Anciennement référencé dans la norme française NF P 98-140, l’EME ainsi que de nombreux autres enrobés (BBSG, BBME, BBA, BBCS, BBM et GB) est depuis février 2007 repris dans la norme européenne NF EN 13108-1. Cette norme se veut spécifier les enrobés bitumineux soit par une approche empirique soit par une approche fondamentale, pour tenir compte au mieux des degrés de connaissance et d’expérience des pays de l’Union Européenne.

Le tableau ci-dessous présente l’extrait de cette norme qui concerne le type d’EME sur lesquels les essais seront réalisés lors de cette étude.

Tableau 1. Extrait NF EN 13108-1 concernant un EME 0/14 de classe 2

Remarque : Il est important de noter que le pourcentage de vides de 3 à 6% concerne la formulation en laboratoire. Sur chantier, la norme NF P98150-1 relative à la mise en œuvre des enrobés définit seulement un fuseau de conformité compris entre 0 et 6%.

12

3.2. Historique

Pour mieux comprendre la raison pour laquelle les EME sont apparus sur le territoire français, il convient de s’intéresser tout d’abord à la problématique des graves bitumes (GB), problématique exposée dans Les enrobés bitumineux Tome 2.

Les premières graves bitumes sont apparues au milieu des années 1960 pour répondre à un accroissement du trafic poids lourd. Elles étaient fabriquées par mélange à chaud à faible teneur en bitume (de 3 à 3,5% pour les couches de base et seulement de 1,5 à 2,2% en couche de fondation). Les bitumes étaient assez durs pour l’époque avec des grades 40/50 ou 60/70 et les compositions granulométriques faisaient appel à 2 ou 3 coupures (0/4, 4/10 et 10/20). Concernant les teneurs en fines, celles-ci étaient faibles et généralement comprises entre 3 et 7%. A partir de la fin des années 1970, pour limiter le phénomène de désenrobage des GB, les teneurs en bitume ont été augmentées pour atteindre des valeurs de 4,5 à 5% pour les GB les plus performantes.

Malgré ces modifications, le problème des graves bitumes réside dans l’importance des épaisseurs à mettre en œuvre pour obtenir des performances mécaniques de plus en plus grandissantes. Ainsi, ces considérations économiques mêlées à un souci de préservation des ressources naturelles ont conduit à la mise au point d’une nouvelle technique pour l’assise des chaussées, les EME. Ceux-ci permettent de réduire les épaisseurs de matériaux avec des performances mécaniques élevées, s’inscrivant dans une politique de développement durable bien avant le Grenelle de l’Environnement.

Pour atteindre cet objectif, les modifications se sont portées sur les squelettes granulaires (plus stables via l’utilisation de granulats et de sables concassés), l’emploi de bitume plus dur et sur les teneurs en liant plus élevées que pour les GB.

3.3. Caractéristiques des EME

Dans cette partie, nous allons dans un premier temps présenter l’épreuve de formulation comprenant les différents essais et exigences à atteindre en fonction du type d’enrobé. Ensuite, nous résumerons les principales caractéristiques concernant les EME.

3.3.1. Les différents niveaux de l’épreuve de formulation

Le niveau d’étude de formulation dépend en général du type d’enrobé, du niveau de sollicitation de la chaussée, de la taille de chantier et des enjeux. La plupart des enrobés nécessitent à minima une étude de niveau 2 excepté les EME que la norme 13108-1 oriente vers une étude de niveau 4. Les différents essais présentés ci-dessous permettent de vérifier les caractéristiques de l’enrobé formulé vis-à-vis des normes en vigueur.

13

Figure 2. Niveaux de l’épreuve de formulation (extrait de Les enrobés bitumineux Tome 1, MOULIERAC, 2001)

Nous présentons à présent les différents niveaux sans toutefois entrer dans le détail de l’exécution des différents essais. Ainsi, seuls les essais réalisés dans le cadre de l’évaluation du module seront détaillés ultérieurement.

• Niveau 1 :

Ce niveau permet d’estimer le comportement des matériaux vis-à-vis de leur tenue à l’eau (essai Duriez) et vis-à-vis de leur maniabilité (essai Presse à Cisaillement Giratoire).

• Niveau 2 :

Ce niveau comporte les essais du niveau 1 auxquels s’ajoute l’essai de résistance à l’orniérage.

14

• Niveau 3 :

Ce niveau comporte les essais des niveaux précédents auxquels s’ajoute un essai de module. Cet essai de module est spécifié dans le cas de chantiers importants et lorsque la couche intervient dans le fonctionnement structurel de la chaussée (c’est le cas des EME). Il existe différentes méthodes pour évaluer le module de rigidité d’un enrobé. La procédure de ces différents essais se trouve dans la norme NF EN 12697-26.

Parmi les méthodes d’évaluation du module, nous comptons notamment l’essai de module complexe ou l’essai de traction directe MAER (Machine Asservie d’Essais Rhéologiques) qui sera utilisé lors de nos expérimentations. Les valeurs de module sont mesurées à 15°C, 10Hz (pour l’essai complexe) ou 0,02s (essai MAER). La température de 15°C correspond à la température moyenne de référence en Europe occidentale. Le temps de charge de 0,02s, quant à lui, correspond sensiblement au passage d’un poids lourd à 60km/h.

• Niveau 4 :

Ce niveau comporte tous les essais cités précédemment ainsi qu’un essai de détermination de la résistance à la fatigue. Le recours à cet essai intervient généralement pour des chantiers importants, notamment sur le réseau autoroutier.

3.3.2. Les performances attendues de l’EME

Il existe théoriquement deux classes de performance pour les EME (classe 1 et 2) qui diffèrent de part leur teneur en liant :

- classe 1 : environ 4,2% de liant dans le mélange (module de richesse supérieur à 2,5). Le système normatif définit bien cette classe, cependant cette technique a progressivement disparu au profit des EME de classe 2.

- classe 2 : environ 5,6% de liant dans le mélange (module de richesse supérieur à 3,4)

Remarques :

• Les valeurs de teneur en liant citées correspondent à des valeurs moyennes courantes en Alsace. L’approche fondamentale de l’avant propos national de la norme NF EN 13108-1 ne définit pas de valeurs. Les spécifications de la norme ne concernent que les performances mécaniques du matériau, libre au formulateur d’ajuster la teneur en liant en conséquence.

• Le module de richesse est une grandeur qui est proportionnelle à l’épaisseur du film de liant enrobant les granulats et reliant la teneur en liant à la surface spécifique conventionnelle des granulats. Malgré les informations concernant la qualité de

15

l’enrobage que ce module fournissait, cet indicateur a disparu des normes européennes.

• C’est principalement la teneur en liant ainsi que sa nature (bitume « dur », habituellement de grade 10/20 ou 15/25 conformément à la norme NF EN 13924, obtenu par raffinage direct) qui confèrent au matériau des propriétés mécaniques supérieures aux GB.

De plus, nous pouvons noter que ces épaisseurs de mise en œuvre sont également fonction de la granulométrie du mélange (quasi identique à celles des graves bitumes) et notamment du diamètre D du plus gros grain. La norme NF P 98150-1 précise les valeurs suivantes :

Tableau 2. Epaisseurs d’utilisation par couche (extrait de Les enrobés bitumineux Tome 2, PREVOST, 2003, et de la norme NF P 98150-1)

La compacité (et donc la teneur en vide de l’enrobé) est également différente pour l’un et l’autre des deux types d’enrobé. Ainsi, pour une classe 1, la norme NF EN 13108-1 prévoit une teneur en vide in situ inférieure à 10% alors que pour une classe 2, celle-ci doit être inférieure 6%. La maniabilité étant évaluée au préalable en laboratoire par l’intermédiaire de l’essai PCG, les seuils sont fonctions de la classe de performance visée et du diamètre D du plus gros granulat.

La résistance à l’orniérage (niveau 2) doit également être vérifiée, et ceci avec l’aide d’un orniéreur. Dans le cas d’un EME (1 ou 2), la déformation verticale doit être inférieure à 7,5% à 60°C et 30000 cycles.

Concernant le module (niveau 3), celui-ci doit être supérieur à 14000MPa (indépendamment de la classe de l’EME) à 15°C, 10Hz ou 0,02s. Dans la norme, il n’existe pas de valeur maximale pour le module, mais nous pouvons considérer qu’au-delà des 19000MPa, le matériau devient trop rigide et présente en général une grande susceptibilité thermique à basse température.

Enfin, la dernière caractéristique mesurable au niveau 4 concerne la déformation en fatigue qui est distincte pour un EME 1 d’un EME 2. Concernant le premier, la spécification en fatigue est fixée au minimum à 100 μdef (10°C et 25Hz) alors que pour le second elle est

de 130 μdef (10°C et 25Hz).

N.B : un tableau récapitulatif des performances de l’EME est disponible en annexe 3.

16

4. Détermination de la quantité d’essais à réaliser – Plan d’expérience 4.1. Objectif et problématique de l’étude

L’essai principal réalisé lors de cette étude est un essai de traction directe, encore appelé essai MAER. C’est à partir de celui-ci que nous tenterons d’établir un modèle mathématique reliant le module de rigidité à sa teneur en liant, sa teneur en vides et son pourcentage d’agrégats d’enrobés. Le but final de cette étude est d’obtenir un modèle « simple » de la forme de celui établi par F. Moutier pour les graves bitumes dans les années 1980. A cette époque, les travaux de F. MOUTIER, basé sur la méthodologie des plans d’expérience, avaient permis de quantifier l’impact d’une variation de liant et de compacité sur le module et le comportement en fatigue d’une GB. Il avait alors pu établir le modèle mathématique suivant :

Tableau 3. Formule de Moutier pour les graves bitumes (extrait du guide technique Conception et dimensionnement des structures de chaussée,

DESTHUILLIERS, 1994)

Pour parvenir à quantifier l’influence des facteurs liant, compacité et agrégats, nous avons décidé de les étudier sur les 3 niveaux suivants :

- Teneur en liant : valeur cible 5,6% ± 0,6%. Cette valeur correspond à la valeur moyenne des EME 0/14 de classe 2 sur la région Alsace.

- Teneur en vides : 5% ± 3,5%. Le domaine étudié correspond à des valeurs représentatives issues de chantiers alsaciens.

- Pourcentage d’agrégats d’enrobés : 0%, 20% et 40%. Le domaine d’étude reflète les pratiques courantes de recyclage en Alsace.

17

Remarque : La largeur des fuseaux étudiés pour la teneur en liant et le pourcentage de vides dépassent volontairement celle des fuseaux de spécification du système normatif en vigueur. Cette démarche répond aux objectifs du stage qui vise à évaluer plus particulièrement l’impact d’un sous dosage en liant et d’une sous compacité du matériau sur les performances mécaniques. De plus, la valeur de vides dans un enrobé est difficile à atteindre avec exactitude dans la pratique et des variations de plus ou mieux 1 voire 2 points comparée à la valeur visée sont fréquentes. De ce fait, des valeurs en vides visées trop proches (3%, 4,5% et 6%) pourraient conduire à des niveaux atteints dans la pratique se chevauchant, ce qui est évidemment à exclure.

Une étude expérimentale complète de l’influence de chacun de ces paramètres est à proscrire car cela reviendrait à réaliser 33 soit 27 plaques d’enrobé différentes, ce qui est irréaliste et irréalisable dans un laps de temps de 5 mois. Il a donc fallu trouver un moyen réfléchi pour réduire le nombre d’essais tout en maximisant l’information obtenue, ce qui est réalisable avec les plans d’expérience.

4.2. Plan d’expérience

4.2.1. Principe

La méthode des plans d’expérience est une méthode qui permet d’établir s’il existe des relations de dépendance entre certains facteurs (dans notre cas la teneur en liant, la teneur en vides et le taux d’agrégats) et certaines réponses (ici module) et de les modéliser. La différence capitale avec la méthode classique tient au fait que l’on fait varier les niveaux (ici les pourcentages des différents facteurs) de tous les facteurs à la fois à chaque expérience de manière programmée et raisonnée. Ceci offre de nombreux avantages comme la diminution du nombre d’essais ou la possibilité d’étudier un nombre de facteurs plus grand tout en optimisant les résultats.

Cette méthode, qui de prime à bord semble révolutionnaire et relativement simple dans son principe, nécessite toutefois une interprétation poussée et souvent complexe des résultats à l’aide d’outils mathématiques divers. De plus, nous ne pouvons pas à priori garantir le résultat d’une telle méthode et ne sommes pas à l’abri d’une interprétation qui pourrait rester trop creuse et donc nous décevoir quelque peu en matière de résultats.

4.2.2. Plan adopté : carré latin 33-1

Dans le but de réduire le nombre d’expériences (initialement 27), nous avons décidé d’employer un plan factoriel fractionnaire dit « carré latin », ce qui nous permet de ramener le nombre d’essais, c'est-à-dire le nombre de plaques à fabriquer, à 9, tout en gardant nos 3

18

facteurs à 3 niveaux initiaux. Ce plan ainsi que le plan complet dont il est issu sont disponibles en annexe 4.

Le choix des 9 essais sur les 27 peut normalement s’effectuer à partir de logiciels de statistiques tels que Statgraphic V4.1 (logiciel utilisé par le LCPC). Dans notre cas, nous avons dans un premier temps choisis notre plan d’expérience en se basant sur la littérature (et notamment les ouvrages de J. GOUPY, La méthode des plans d’expérience (2006) et Les plans d’expérience (2006)). Une fois ce choix effectué, nous avons voulu voir si le choix obtenu avec Statgraphic V4.1 était identique mais après plusieurs tentatives, cela n’était toujours pas le cas. De ce fait, nous avons préféré garder notre plan de départ (basé sur la littérature), plus vérifiable que celui proposé par un logiciel assimilable à une boite noire.

Figure 3. Représentation graphique du plan carré latin adopté

Une fois calée la détermination des essais à réaliser, la méthode de randomisation est employée pour limiter les éventuels biais. En effet, de petites variations dues à des facteurs non contrôlés peuvent légèrement modifier les réponses mesurées sans que l’on puisse les connaître. Ces petites variations peuvent introduire des erreurs à chaque mesure. Pour « éviter » ces variations des niveaux des facteurs non contrôlés, il est préférable de donner un ordre au hasard aux essais, c'est-à-dire de les randomiser. Cette randomisation a pour résultat de rendre aléatoire la répartition des erreurs systématiques et ainsi de permette l’application des tests statistiques.

19

La randomisation peut s’effectuer à l’aide d’un simple « tirage au sort » ou à l’aide de logiciels tel que Matlab, logiciel utilisé ici. Finalement, nous obtenons la procédure d’essais suivante :

Essais non randomisés

Agrégats (%)

Teneur en liant (%)

Teneur en vide (%)

Ordre (essais randomisés)

Dénomination de la plaque

4 20 5,00 5,0 1 A

6 20 6,20 1,5 2 B

1 0 5,00 1,5 3 C

8 40 5,60 1,5 4 D

3 0 6,20 8,5 5 E

2 0 5,60 5,0 6 F

7 40 5,00 8,5 7 G

9 40 6,20 5,0 8 H

5 20 5,60 8,5 9 I

Tableau 4. Ordre des essais et dénomination des plaques d’enrobé correspondantes

4.3. Partenariat avec le LRPC d’Angers

Le laboratoire d’Angers réalisera des essais de fatigue en complément de cette étude. Pour ce faire, ils doivent disposer des mêmes matériaux (même provenance, même mode de préparation des éprouvettes).

Compte tenu du temps imparti et du temps de préparation des plaques d’enrobé, la norme d’essai NF EN 12697-26 ne sera pas totalement suivie à la lettre au niveau du nombre d’éprouvettes étudiés par résultat d’essai (3 réalisés pour 4 selon la norme). Ces 3 éprouvettes dédiées à l’essai MAER seront prélevées sur une demi plaque ; l’autre demi plaque sera réservée au LRPC d’Angers pour la réalisation des essais de résistance à la fatigue.

20

5. Les matériaux 5.1. Provenance et caractéristiques des matériaux

5.1.1. Granulats

Les granulats proviennent des stocks Valff Enrobés (Helmbacher) qui ont été utilisé pour la fabrication de l’EME 0/14 de classe 2 destinée au chantier A35 (PR 417 à 423) (entreprise Eurovia) en 2009. Leurs courbes granulométriques et caractéristiques intrinsèques sont disponibles en annexe 5. C’est à partir de ces courbes que seront calculées grossièrement les quantités à prélever alors que la formulation pour la réalisation de nos plaques d’enrobé nécessitera des essais granulométriques internes au LRS pour ajuster plus finement les dosages des coupures granulaires.

Date de prélèvement : 08 et 09 mars 2010

5.1.2. Filler d’apport

Le filler d’apport provient également des stocks Valff Enrobés qui ont été utilisé pour le chantier A35. Aucun test complémentaire n’est réalisé sur ces fines et la formulation se fera à l’aide des données du laboratoire EUROVIA.

Date de prélèvement : 12 mars 2010

5.1.3. Bitume

Le bitume 10/20 nécessaire pour la réalisation des éprouvettes d’EME est un bitume de grade dur. Peu de raffineries françaises fabriquent ce type de produits et suite à des mouvements de grèves de divers sites pétroliers, le bitume proviendra de la raffinerie Shell à Mannheim (Allemagne).

Date de prélèvement : 15 mars 2010

Caractéristiques fournies par l’usine :

- Température Anneau et Bille : TBA= 69°C (donnée Shell)

- Pénétrabilité à 25°C : 16 x 0,1mm (donnée Shell)

21

5.1.4. Agrégats d’enrobés

Les agrégats d’enrobés proviennent eux aussi des stocks Valff Enrobés qui ont été utilisés pour le chantier A35 (PR 417 à 423) en 2009. La courbe granulométrique fournie par les analyses du laboratoire EUROVIA est disponible en annexe 5 et des analyses complémentaires internes au LRS ont été réalisés (résultats présentés ultérieurement dans le rapport).

Date de prélèvement : 09 mars 2010

Caractéristiques fournies par l’usine :

- Température Anneau et Bille : TBA= 60,9°C (donnée EUROVIA)

- Pénétrabilité à 25°C : 22,7 x 0,1mm (donnée EUROVIA)

5.2. Quantités des constituants

La démarche du calcul des quantités des constituants ainsi que l’étape de recomposition sur laquelle elle est basée sont explicités en annexe 7. Nous ne présentons ici que les résultats importants.

Comme nous l’avons vu précédemment, le plan d’expérience prévoit la fabrication de 9 plaques (3 plaques pour chacun des pourcentages d’agrégats). Cependant, nous prévoyons l’apport de matériau pour 6 plaques sans agrégats supplémentaires (au cas où l’interprétation du plan d’expérience serait trop creuse, ce qui permettrait la réalisation ultérieur d’essais complémentaires). Dans ce cas, les fabrications et essais réalisés sur ces 6 plaques seraient probablement faits ultérieurement par une tiers personne, faute de temps. Nous arrivons donc aux quantités de matériaux suivantes :

Plaques à fabriquer Plaques supplémentaires Total

sans agrégat 20% Ag 40% Ag sans agrégat 20% Ag 40% Ag Nombre de plaques 9 3 3 5 3 3 26

FA 17,63 kg 3,43 kg 1,22 kg 9,79 kg 3,43 kg 1,22 kg 36,72 kg

0/4 330,53 kg 85,69 kg 53,86 kg 183,63 kg 85,69 kg 53,86 kg 793,24 kg

4/6 66,11 kg 0 0 36,73 kg 0 0 102,83 kg

6/10 80,80 kg 34,76 kg 22,03 kg 44,89 kg 34,76 kg 22,03 kg 239,27 kg

10/14 198,32 kg 58,27 kg 56,06 kg 110,18 kg 58,27 kg 56,06 kg 537,15 kg Agrégats 0 48,96 kg 97,92 kg 0 48,96 kg 97,92 kg 293,77 kg

total G 2002,98 kg

Tableau 5. Quantité totale de matériaux à prélever

22

Il semble évident qu’il faille prendre plus de matériaux que le strict minimum. En effet, le risque de fabriquer des plaques trop éloignées des caractéristiques recherchées est toujours possible. De plus, des essais complémentaires, comme l’analyse granulométrique par exemple, doivent être réalisés. Ainsi, il vaut mieux prévoir l’enlèvement de plus de matériaux pour s’assurer de l’homogénéité de ceux-ci. Par exemple, les caractéristiques de fabrication des granulats provenant de la même gravière mais prélevés à deux temps différents peuvent évoluées par leur mode de concassage ou de stockage. De même, il est évident que le bitume, bien que provenant d’une même raffinerie, n’aura pas exactement les mêmes caractéristiques suivant les dates de prélèvement. De ce fait, en commandant plus de matériaux que nécessaire, les risques de biais introduits par une évolution des caractéristiques des constituants sont limités.

Concernant la quantité de bitume, nous partons sur une teneur en liant moyenne de 5,60% pour une plaque (calcul basé uniquement sur des plaques sans agrégat, c'est-à-dire ne prenant pas en compte l’apport en liant des fraisâts d’enrobé), soit 4,57kg/plaque, ce qui nous donne une quantité à commander de l’ordre de 75kg pour permettre la réalisation des 15 plaques.

23

6. Planning

Avant de pouvoir réaliser les essais MAER, un certain nombre d’opérations (confection des plaques, sciage, carottage, surfaçage et collage des casques) ainsi que divers essais (analyse granulométrique, teneur en liant, banc gamma vertical) sont nécessaires. Toutes ces opérations doivent être réalisées en un temps limité et optimisé au maximum. Pour ce faire, un planning s’avère utile. Celui-ci permettra en outre de s’assurer de la faisabilité, de la bonne exécution des travaux ainsi que la traçabilité de l’étude.

Un planning initial, élaboré avant les différentes fabrications, a donc été mis en place. Celui-ci a évidemment évolué au fil du temps, notamment à cause de délais d’exécution erroné et de « l’expérience » acquise tout au long du stage, expérience qui a permis d’optimiser ces délais. Nous présentons le planning réel du PFE, réalisé via le logiciel Project, tenant compte de toutes ces modifications en annexe 8.

24

7. Analyse granulométrique et teneur en liant 7.1. Préliminaires

Dans ce chapitre et ceux qui suivent, nous présenterons uniquement les résultats et les valeurs importantes des différents essais et opérations préalables à l’essai MAER. Leurs principes, leurs références normatives et les points importants de leur exécution sont donnés en annexe. Ainsi, nous nous contenterons de renvoyer le lecteur à l’annexe approprié pour en connaître les détails.

7.2. Analyse granulométrique

7.2.1. Objectif de l’analyse

Nous disposons déjà des résultats des analyses granulométriques effectuées par EUROVIA et qui ont été utilisées pour la formulation de l’EME étudié. De ce fait, notre analyse granulométrique a uniquement pour but de vérifier les résultats annoncés (disponibles en annexe 5) et d’ajuster, si besoin est, les formulations aux différentes teneurs d’agrégats utilisées précédemment pour le calcul des quantités de constituants.

La norme ne prévoit pas un nombre d’essais granulométriques fixe. Dans un souci de représentativité, nous choisissons ici d’effectuer 3 analyses granulométriques par coupure pour les granulats et 4 pour les agrégats. La démarche et le principe d’exécution de cet essai sont donnés en annexe 9.

7.2.2. Interprétation des résultats de l’analyse granulométrique

La caractérisation granulométrique a une incidence sur la formulation de l’enrobé. Ainsi, si nous désirons coller au mieux aux courbes granulométriques de la formulation de l’EME présentée par EUROVIA, il nous faut une granulométrie la plus similaire possible à celle utilisée. Comme nous l’avons déjà dit, les matériaux utilisés pour cette étude proviennent des mêmes stocks que ceux utilisés par EUROVIA lors de leur formulation. Ainsi, nous devrions obtenir un résultat d’analyse granulométrique semblable.

L’ensemble des résultats des analyses granulométriques est disponible en annexe 9. Pour mieux les comparer à celles effectuées par EUROVIA, nous les représentons sur le graphique suivant :

25

Figure 4. Comparaison des courbes granulométriques effectuées par EUROVIA et au LRS (Laboratoire Régional de Strasbourg)

26

Comme nous pouvons le voir, les résultats des analyses sont similaires (en prenant en compte la reproductibilité de l’essai) pour les différentes coupures, sauf en ce qui concerne le 0/4 qui apparaît nettement moins grenu dans notre analyse. En l’absence de résultats d’EUROVIA sur la fraction 4/6, la comparaison n’a pu être menée sur cette coupure.

Pour le sable (0/4), la norme prévoit une quantité de matériau minimale de 200g. Ainsi, nos 3 analyses ont été effectuées sur une quantité moyenne de 300g. Cependant, en vue des résultats relativement éloigné de cette coupure comparée à l’analyse réalisée par EUROVIA, nous avons réalisé 3 analyses granulométriques supplémentaires avoisinant les 1400g dans le but de vérifier les résultats de la première analyse. Les résultats numériques sont données en annexe 9 et nous comparons sur le graphique l’ensemble des données sur le sable.

Figure 5. Analyses granulométriques du sable

Les résultats concernant les parties grenus sont similaires et confirment la tendance mais ce n’est pas le cas pour les parties fines. En effet, à la 2ème analyse, nous obtenons un passant au tamis de 63microns proche des 6,5%, c'est-à-dire une différence de 4% avec la 1ère analyse. Une telle différence est difficilement explicable, l’essai étant réalisé sur 3 échantillons à chaque fois. En tout cas, la valeur de 6,5% paraît trop faible pour un sable. Nous décidons donc de partir sur les résultats de la 1ère analyse (sur 300g de sable) pour notre étude de formulation.

Remarque : Le fait d’avoir une courbe de 0/4 différente de celle utilisée EUROVIA peut avoir des conséquences sur la formulation. Cependant, celles-ci restent minimes. En effet, calculer dans le cas le plus défavorable, la dérive de plus ou moins 4% sur le sable entrainerait une modification de plus ou moins 1,4% en fines).

27

7.3. Teneur en liant

L’analyse effectuée à l’aide de l’Asphalt Analysator (voir annexe 10) sur 4 échantillons d’agrégats d’enrobé nous permet de connaître la teneur en liant des agrégats. Comme nous pouvons le voir sur le tableau ci-dessous, cette valeur de teneur en liant est quasi identique pour les 4 échantillons étudiés, ce qui nous laisse à penser que le mélange bitume-granulats a été bien exécuté. Pour nos formulations, nous prendrons une moyenne de teneur en liant égale à 5,02% (résultats complets disponibles en annexe 10).

Asphalt Analysator N° Echantillon 1 2 3 4 Moyenne Teneur en Liant 4,99% 4,96% 5,05% 5,09% 5,02%

Tableau 6. Teneur en liant des agrégats

28

8. Formulation du mélange bitumineux

Connaissant à présent les caractéristiques réelles du matériau prélevé (granulométrie et teneur en liant) et en vue des résultats obtenus, nous devons affiner la formulation de l’enrobé. En effet, nous devons à présent connaître avec précision les quantités de matériau et de bitume à injecter pour obtenir, en théorie, les caractéristiques recherchées pour les 9 plaques.

8.1. Etude de formulation

Il s’agit ici de réaliser l’étude de formulation pour chacune des plaques (avec respectivement 0%, 20% et 40% d’agrégats) et ce pour des teneurs en liant de 5,00%, 5,60% et 6,20%.

Cette étude de formulation consiste, comme celle effectuée pour la quantité de matériaux à prélever, à modifier les fractions des différentes coupures de granulats tout en gardant une certaine proportionnalité entre les valeurs des plaques avec et sans agrégats. Nous tenterons ainsi de coller au mieux notre courbe sans agrégats à celle de référence EUROVIA et celles avec agrégats à celle de référence à 30% d’agrégats d’EUROVIA. La différence maximale entre ces courbes doit être inférieure à 8 points pour une coupure granulaire pour ainsi ne pas modifier de manière significative le comportement mécanique de l’enrobé. Il faudra également s’assurer que l’on se trouve bien à l’intérieur du fuseau d’un EME 10/14 (valeurs fournies en annexe 7).

Une fois l’étude de formulation réalisée pour une teneur en liant égale à 5,60%, il faut s’intéresser aux teneurs en liant de 5,00% et 6,20%. Pour ces formulations, nous modifions uniquement le pourcentage de 6/10 pour retomber sur un total de 100%. En effet, cette fraction granulaire influe peu sur l’allure de la courbe granulométrique.

Les résultats de la totalité des formulations ainsi que les formules mathématiques principales employées sont disponibles en annexe 11. Nous explicitons ci-dessous le principe de la démarche de formulation pour la plaque sans agrégats :

29

Tableau 7. Explication du principe de l’étude de formulation. Exemple de la plaque sans agrégats

Formule EME 0/14 (0% Ag)

EME 0/14 (0% Ag)

EME 0/14 (0% Ag) Réf. 0% Réf. 30%

F.A. 2,4% 2,4% 2,4% 2,4% 1,1% 0/4 40,0% 40,0% 40,0% 45,0% 30%

4/6 13,0% 13,0% 13,0% 9,0% 6/10 13,6% 13,0% 12,4% 11,0% 10% 10/14 26,0% 26,0% 26,0% 27,0% 25% agrégats 28,3%

t.l. tot 5,00% 5,60% 6,20% 5,60% 5,60% l.agrégats 0,00% 0,00% 0,00% l. apport 5,00% 5,60% 6,20%

Granulo. <> Coupures Granulos.LRS 100,00% 100,00% 100,00%

Tamis F.A. 0/4 4/6 6/10 10/14 agrégats Tamis 0,063 78,6 10,2 0,1 0,4 0,2 10,6 0,063 6,4 6,4 6,5 6,6 7,0 0,080 83,5 11,5 0,1 0,4 0,2 11,1 0,080 7,1 7,1 7,2 7,2 7,5 0,125 90,0 14,3 0,1 0,5 0,2 13,3 0,125 8,4 8,5 8,5 0,250 100,0 21,7 0,2 0,5 0,3 17,1 0,250 11,8 11,9 12,0 12,0 12,0 0,315 100,0 25,2 0,2 0,6 0,3 18,8 0,315 13,3 13,4 13,5 13,0 14,0

0,5 100,0 32,7 0,3 0,7 0,4 22,0 0,5 16,6 16,7 16,8 15,0 17,0 1 100,0 49,0 0,7 0,8 0,5 28,6 1 24 24 24 22 23,0 2 100,0 72,7 1,0 0,9 0,6 39,9 2 34 34 34 32 33,0

3,15 100,0 91,7 4,0 1,0 0,8 49,9 3,15 42 42 43 4 100,0 97,3 5,3 5,4 0,9 55,1 4 45 45 46 50 49,0 5 100,0 99,0 29,8 9,4 1,0 62,1 5 50 50 50

6,3 100,0 100,0 81,7 13,7 2,6 69,7 6,3 58 59 59 61 57,0 8 100,0 100,0 99,9 46,6 4,2 79,3 8 66 66 66 67 63,0

10 100,0 100,0 100,0 85,7 5,7 88,4 10 72 72 72 73 72,0 12,5 100,0 100,0 100,0 99,9 46,0 96,9 12,5 85 85 85 88 88,0

14 100,0 100,0 100,0 100,0 77,6 99,2 14 94 94 94 98 97,0 16 100,0 100,0 100,0 100,0 99,0 100,0 16 100 100 100 100 99,0 20 100 100,0 100,0 100 100 100 20 100 100 100 100 100

M.V.R. 2,67 2,65 2,65 2,65 2,65 2,65 MVR G 2,65 g/cm3 2,65 g/cm3 2,65 g/cm3 D.Bit. : 1,033

1 2 3 4 Etapes de formulation:

- faire correspondre la courbe granulométrique de 2 à 1 (ici réf à 0% car plaque sans agrégats) tout en gardant au maximum les proportions des différentes coupures.

- établir la formulation de 3 puis 4 en ne modifiant que la fraction 6/10 (cette fraction influant peu sur la courbe granulométrique lorsqu’on la modifie légèrement) pour obtenir un total de 100,00.

30

Remarques:

- Dans la partie « granulo », les données inscrites en vert sont les données interpolées graphiquement à l’aide des résultats obtenus pour les tamis utilisés lors de l’analyse granulométrique.

- Les masses volumiques réelles (MVR) des granulats sont prises égales à 2,65g/cm3 (granulats silico-calcaires du Rhin) et le filler est pris à 2,67 g/cm3 (donnée EUROVIA). Ces valeurs vont notamment nous permettre de calculer la masse volumique réelle de l’enrobé et ainsi de déterminer la quantité de chacun des matériaux nécessaire pour la fabrication de la plaque d’enrobé.

8.2. Calcul des quantités

Les quantités de matériaux nécessaires à la fabrication de la totalité des plaques du plan d’expérience complet ainsi que les formules mathématiques principales employées sont disponibles en annexe 11. Nous ne donnons ici qu’un tableau récapitulatif concernant les quantités des 9 plaques à réaliser.

Caractéristiques théoriques

Pourcentage d'agrégats

visé 0% 20% 40%

Teneur en liant visé

5,00% 5,60% 6,20% 5,00% 5,60% 6,20% 5,00% 5,60% 6,20%

Teneur en vides visé

1,5% 5,0% 8 ,5% 1,5% 5,0% 8,5% 1,5% 5,0% 8,5%

Quantité de matériaux

en kg

FA 2,049 1,959 1,870 0,988 0,943 1,007 0,396 0,423 0,405 0/4 34,142 32,645 31,173 26,753 25,545 27,263 17,045 18,191 17,394 4/6 11,096 10,610 10,131 0 0 0 0 0 0 6/10 11,608 10,610 9,664 14,405 13,283 13,674 8,721 8,799 7,928 10/14 22,193 21,219 20,262 19,591 18,706 19,965 17,441 18,614 17,799

agrégats 0 0 0 16,463 15,720 16,777 31,712 33,843 32,361

Quantité de liant en kg

liant d'apport

10/20 4,268 4,570 4,832 3,289 3,612 4,359 2,372 3,039 3,391

liant total (agrégats +

apport 10/20) 4,268 4,570 4,832 4,116 4,402 5,201 3,964 4,738 5,016

Désignation plaque C F E A I B G D H

Tableau 8. Quantité de matériaux nécessaires pour la réalisation des 9 plaques du plan d’expérience

31

9. Confection de la plaque d’enrobé

Connaissant à présent les quantités exactes nécessaires pour la fabrication des différentes plaques, nous pouvons les réaliser, dans l’ordre donné par la randomisation du plan d’expérience. Les principes du malaxage et du compactage sont donnés en annexe 12.

9.1. La fabrication

La préparation des granulats et des agrégats, c'est-à-dire la mise en bacs des quantités respectives nécessaires, s’effectue la veille de la fabrication de la plaque. Pour pouvoir prélever le bitume 10/20, nous le chauffons à 70°C (le point de ramollissement étant à 69°C) pendant une durée supérieure à 5h (fût de 25kg). Concernant les temps de chauffe, nous observerons les règles suivantes :

- Environ 10h à 180°C pour les granulats à l’étuve ventilée

- Environ 3h à 180°C pour les agrégats à l’étuve ventilée

- Environ 3h à 180°C pour le bitume d’apport à l’étuve ventilée

Nous pouvons également noter que le moule dans lequel sera réalisé la plaque ainsi qu’un bac vide utilisé pour le transfert de l’enrobé du malaxeur au compacteur sont systématiquement mis à l’étuve 3 heures avant la fabrication pour éviter un refroidissement inutile de l’enrobé et qui s’avérerait « endommageable » lors du compactage (difficulté de compactage).

Nous rappelons à présent les points importants de la fabrication de l’enrobé. L’incorporation des granulats se fait de la fraction granulaire la plus grosse à la plus fine, c'est-à-dire tout d’abord le 10/14, le 6/10, le 4/6, le 0/4 et le filler (généralement préalablement mélangé au 0/4 car plus volatile). Lorsque le mélange comporte des agrégats, leur incorporation se fait en lieu et place du 4/6. Une fois ces constituants dans le malaxeur, nous entreprenons un malaxage à sec pendant 1 minute. Ensuite, nous incorporons le bitume neuf et procédons à nouveau au malaxage pendant 3 minutes. Ces données de séquençage, de temps et de température de chauffe ainsi que les durées de malaxage sont importantes car elles peuvent influencer le comportement mécanique final de l’enrobage.

32

9.2. Le compactage

Une fois le mélange bitumineux élaboré, celui-ci est extrait du malaxeur pour pouvoir être compacté. Il existe deux types de compactage, fort et faible, qui se distinguent par la charge appliquée (10kN pour le fort contre 4kN pour le faible) et par le nombre de passes effectuées. S’agissant d’un EME, nous avions tout d’abord envisagé l’utilisation d’un compactage fort quelque soit le pourcentage de vides à obtenir, les quantités de matériaux arasées à la surface du moule définissant en théorie à elles seules le pourcentage de vides final. Cependant, comme nous le verrons dans les observations ci-après, cela n’est pas aussi simple.

Nous nous réservons le droit de modifier le nombre de passes en fonction du pourcentage de vides à atteindre, restant cependant proportionnel dans le nombre de passages avant, arrière et central.

Les plans de compactage réalisés pour chacune des plaques sont disponibles en annexe 12. Après ce compactage, la plaque d’enrobé obtenue a les dimensions théoriques suivantes :

Figure 6. Schéma d’une plaque d’enrobé réalisée

Remarque : Nous verrons que la hauteur peut varier de l’ordre du centimètre suivant le compactage réellement réalisé et en vue des difficultés éventuelles rencontrées.

9.3. Observations

Lors de la confection des différentes plaques, certaines conclusions pratiques nous sont apparues. Ainsi, nous avons pu nous apercevoir de façon pratique que plus le pourcentage d’agrégats était élevé (dans les limites de l’étude, c'est-à-dire 40%), plus l’enrobé était maniable et donc la plaque plus « facile » à compacter.

33

Ainsi, il est apparu très difficile de compacter la plaque C (Ag=0%, TL=5% et V=1,5%). En effet, lors de la confection de cette plaque, nous observons un delta résiduel sur la hauteur de l’ordre du cm. Ceci aura indubitablement des conséquences sur la teneur en vides de l’éprouvette, observables (après sciage et carottage) à l’œil nu sur la figure ci-dessous et au banc gamma.

Figure 7. Eprouvettes C2 à gauche à 3% de vides pour 1,5% visé (à 0% d’agrégats) et D2 à droite à 2,2% de vides pour 1,5% visé (à 40% d’agrégats)

Ce sous compactage peut notamment être dû à une moindre maniabilité de l’enrobé causée par une teneur en liant insuffisante. De plus, des considérations pratiques telles que la rapidité d’exécution de la plaque (et donc un matériau moins chaud et plus difficilement compactable) peuvent également expliquer ce phénomène, même si la réalisation (avec plus de soin) d’une deuxième plaque C aboutit elle aussi a des difficultés de compactage.

Le sur compactage, notamment pour la plaque E, a également posé quelques problèmes. En effet, l’utilisation d’un plan de compactage fort pour une teneur en vides de 8,5% est à proscrire, et ce même pour un EME dont le bitume est considéré comme dur. Ainsi, après plusieurs tentatives, il est apparu plus judicieux d’adopter un compactage fort pour les teneurs en vides de 1,5% et 5% et faible pour 8,5%. Nous verrons cependant, dans le chapitre 11 Détermination de la teneur en vides, que cela n’a pas permis de résoudre tous les problèmes liés au sur compactage.

34

10. Sciage, carottage et surfaçage

Les principes et normes auxquels se rattachent ces différentes opérations sont exposés en annexe 13. Nous ne présentons ici que les plans pratiques de sciage et de carottage.

10.1. Sciage de la plaque

Il s’agit tout d’abord de couper la plaque en 2 tel que défini ci-dessous puis de couper la partie d’où seront extraites les éprouvettes cylindriques. Sur le schéma ci-dessous, seule la partie hachurée rose est à jeter.

Figure 8. Plan de sciage

10.2. Carottage des éprouvettes

Pour notre étude, nous ne récupérons donc que le morceau de plaque de 220x400x150mm. Le carottage des éprouvettes se fait par la face intérieure de cette plaque. Le diamètre de la cloche de la carotteuse est légèrement supérieur à 80mm pour obtenir une éprouvette cylindrique de 80mm. Il est important que le carottage soit net pour limiter les incidences sur la mesure au banc gamma et éventuellement sur les résultats de traction. Ainsi, il est nécessaire de prendre la plus grande précaution lors de l’avancement de la carotteuse, en gardant autant que possible la même vitesse d’avancement et en évitant les légers retours en arrière qui provoqueraient des stries sur l’éprouvette. (Cela a d’ailleurs été le cas lors du carottage de la plaque C, entrainant du même coup la fabrication d’une nouvelle plaque. En effet, l’essai MAER étant déjà simplifié à 3 éprouvettes, il n’est pas envisageable de réduire encore ce nombre).

35

Figure 9. Plan de carottage (exemple de la plaque EME A (Ag=20%, TL=5% et V=5%))

Comme nous pouvons le voir sur la figure ci-dessus, une dénomination claire a été nécessaire dans le but de référencer chaque éprouvette carottée de chacune des 9 plaques fabriquées. Cette désignation est la suivante :

Pourcentage d'agrégats Teneur en liant Teneur en vide Ordre Désignation 20% 5,00% 5,0% 1 EME A.1 EME A.2 EME A.3 20% 6,20% 1,5% 2 EME B.1 EME B.2 EME B.3 0% 5,00% 1,5% 3 EME C.1 EME C.2 EME C.3 40% 5,60% 1,5% 4 EME D.1 EME D.2 EME D.3 0% 6,20% 8,5% 5 EME E.1 EME E.2 EME E.3 0% 5,60% 5,0% 6 EME F.1 EME F.2 EME F.3 40% 5,00% 8,5% 7 EME G.1 EME G.2 EME G.3 40% 6,20% 5,0% 8 EME H.1 EME H.2 EME H.3 20% 5,60% 8,5% 9 EME I.1 EME I.2 EME I.3

gauche centre droite

Tableau 9. Désignation utilisée pour référencer les plaques

L’ordre figurant ici a son importance pour respecter la randomisation adoptée dans le plan d’expérience. Cependant, lors de l’exécution des travaux, certains problèmes de carottage ou des problèmes de teneur en vides réelles trop éloignées de celles visées nous ont amené à exécuter les essais dans un ordre différent. De plus, faute de temps dû à un planning relativement complet et un temps de stage court, il n’était pas possible de retarder les essais dans l’attente de la plaque « parfaite ». Toutefois, ces problèmes étant imputable au hasard, il pourra être considéré qu’ils n’ont pas d’influence sur la randomisation, celle-ci étant elle-même le fruit du hasard (via le logiciel Matlab).

36

11. Détermination de la teneur en vides 11.1. Méthodes utilisées

Il existe différentes méthodes prévues dans la norme pour déterminer le pourcentage de vides d’une éprouvette. Celles-ci, basées sur le calcul de la masse volumique apparente (masse par unité de volumes incluant les vides d’air), sont au nombre de trois : la détermination géométrique, la pesée hydrostatique et le banc gamma vertical. Les principes de chacune d’entre elles, les formules utilisées pour la détermination de la teneur en vides ainsi que les résultats obtenus sont disponibles en annexe 14.

En outre, il faut savoir que la méthode la plus pointue semble être dans notre cas celle au banc gamma. En effet, la méthode géométrique est simple d’utilisation mais en théorie moins fiable que les deux autres, notamment à cause des imprécisions géométriques de l’éprouvette lors de la fabrication qui ne peuvent être prises en compte au cours de sa mesure. De plus, dans notre cas, seule la mesure au banc gamma est réalisée sur l’éprouvette, la pesée hydrostatique étant réalisée sur la partie située entre les éprouvettes (après carottage) comme nous pouvons le voir sur la figure ci-dessous (ceci pour des raisons pratiques). Ainsi, cette méthode ne permet pas, dans notre cas, de connaître le pourcentage de vides de l’éprouvette considérée, mais doit toutefois théoriquement donner des résultats relativement similaires, d’où son utilisation. Les valeurs retenues seront donc celles obtenues au banc gamma.

Figure 10. Exemple de « I » paraffiné (« I 12») utilisé pour la méthode hydrostatique

Emplacement éprouvette EME I1

Emplacement éprouvette EME I2

37

11.2. Résultats obtenus et interprétation

Nous donnons ci-dessous le récapitulatif des résultats de vides obtenus, en %, par les diverses méthodes citées précédemment pour ensuite en tirer plusieurs conclusions.

Dénomination Ep. A Ep. B Ep. C Ep. D Ep. E Ep. F Ep. G Ep. H Ep. I Ep. Epsilon Ep. Gamma

A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 E1 E2 E3 F1 F2 F3 G1 G2 G3 H1 H2 H3 I1 I2 I3 eps1 eps2 eps3 gam1 gam2 gam3 % vides gamma

4,0 3,3 3,9 1,1 1,1 1,0 3,2 3,0 3,5 2,2 2,1 1,9 3,6 3,2 3,9 2,7 2,6 3,2 4,8 4,6 5,4 3,4 2,7 3,3 5,0 4,3 4,7 4,0 3,6 4,3 3,7 3,1 4,2

moy gamma 3,7% 1,1% 3,2% 2,1% 3,6% 2,8% 4,9% 3,1% 4,7% 4,0% 3,7%

% vides géo 4,2 3,6 4,3 1,7 1,9 1,5 3,3 2,9 3,8 2,0 1,8 1,8 3,5 3,3 4,2 2,8 2,6 3,2 4,7 4,7 5,4 3,1 2,8 3,3 5,2 4,2 4,8 4,9 4,3 5,0 3,7 3,3 4,4

moy géo 4,0% 1,7% 3,3% 1,9% 3,7% 2,9% 4,9% 3,0% 4,7% 4,7% 3,8%

% vides hydro sur "I"

3,7% 2,0% 3,9% 2,7% 5,0% 3,9% 6,5% 4,8% 5,4% 5,5% 4,5%

Tableau 10. Récapitulatif des teneurs en vides obtenues

11.2.1. Interprétation générale

Cette interprétation concerne la variation constatée entre la teneur en vides souhaitée et celle réellement obtenue. Pour ce faire, nous rappelons ci-dessous uniquement les résultats de la méthode gamma.

Ep. A Ep. B Ep. C Ep. D Ep. E Ep. F Ep. G Ep. H Ep. I Ep. Epsilon Ep. Gamma

% vides visés 5,0% 1,5% 1,5% 1,5% 8,5% 5,0% 8,5% 5,0% 8,5% 8,5% 8,5%

Dénomination A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 E1 E2 E3 F1 F2 F3 G1 G2 G3 H1 H2 H3 I1 I2 I3 eps1 eps2 eps3 gam1 gam2 gam3

% vides gamma

4,0 3,3 3,9 1,1 1,1 1,0 3,2 3,0 3,5 2,2 2,1 1,9 3,6 3,2 3,9 2,7 2,6 3,2 4,8 4,6 5,4 3,4 2,7 3,3 5,0 4,3 4,7 4,0 3,6 4,3 3,7 3,1 4,2

moy gamma 3,7% 1,1% 3,2% 2,1% 3,6% 2,8% 4,9% 3,1% 4,7% 4,0% 3,7%

Tableau 11. Comparaison teneur en vides du banc gamma aux valeurs initialement souhaitées

38

Nous pouvons tout d’abord constater, comme il en a été question dans le chapitre 9, qu’il est très difficile d’obtenir le pourcentage de vides souhaité, et ce quelque soit la valeur de vides désirée. Ainsi, nous observons une variation minimale de 0,4 points (à la méthode gamma) concernant les éprouvettes B (1,1% de vides réels contre 1,5% souhaité) alors que l’écart maximal observé est d’environ 4,5 points (pour les éprouvettes Epsilon dont la moyenne est de 4,0% contre 8,5% souhaitée), et ce malgré un compactage à priori adapté (pas le cas pour les éprouvettes E). En effet, il faut rappeler que la plaque Epsilon a été compactée à l’aide d’un compactage dit faible (c'est-à-dire moins de passes et surtout une énergie de compactage moins importante).

Le sous compactage, bien que peu fréquent dans notre cas excepté pour la plaque C, est relativement simple à expliquer. Il en a d’ailleurs déjà été question dans la partie Observations du chapitre 9 (teneur en liant faible et absence d’agrégats). En revanche, le sur compactage par rapport aux objectifs fixés est plus difficilement explicable et donc plus dur à résoudre. En effet, malgré l’utilisation d’un type de compactage qui semble adapté aux caractéristiques de vides souhaitées, nous obtenons encore une compacité trop élevée, et ce malgré le fait que l’enrobé est uniquement compacté jusqu’à l’atteinte de l’arase supérieure du moule. La seule raison qui nous apparait en vue d’observations à l’œil nu (comme nous pouvons le voir sur la figure ci-dessous), c’est que la vitesse de montée de la table n’est pas adaptée, ce qui expliquerait le gradient des vides observables sur la hauteur de la plaque (plus de vides en partie basse qu’en partie haute, et ce pour la quasi-totalité des plaques réalisées). Ce point est difficilement corrigeable, car la norme ne prévoit pas de valeurs relatives à ces montées de table et que cela semble dépendre de beaucoup de paramètres (températures réelles du moule et de l’enrobé, vitesse d’exécution…), sans parler du fait que des valeurs de 8,5% de vides sont à priori proscrites pour un EME, le maximum normatif étant de 6%. Ainsi, nous pouvons uniquement supposer que le fait d’attendre un peu lors des différentes montées de table que l’enrobé se refroidisse ajouté à l’utilisation d’un compactage faible nous permettrait probablement d’obtenir une compacité plus faible.

Figure 11. Gradient de teneur en vides sur la hauteur d’une plaque

39

Les difficultés rencontrées pour obtenir le pourcentage de vides voulu pose problème quant à l’interprétation qui en sera faite via le plan d’expérience. En effet, nous pouvons raisonnablement nous fixer une variation possible entre théorie et pratique de l’ordre de plus ou moins 1%. Cependant, certaines plaques dépassent cette limite de variation et ont donc conduit dans un premier temps à leur refabrication. Cette dernière n’étant pas satisfaisante (caractéristiques de vides toujours trop éloignées de celles recherchées) et par manque de temps, il a été décidé de modifier les valeurs cibles du plan d’expérience. Les nouveaux seuils de vides ont été ramenés à 2,0% - 3,5% - 5,0% contre 1,5% - 5,0% - 8,5% définis initialement. (Ces modifications sont clairement notifiées, avec les plaques correspondantes, dans le chapitre 13.3.).

11.2.2. Comparaison des différentes méthodes utilisées

Cette comparaison concerne, d’une manière générale, les écarts observables entre les différentes méthodes de détermination des vides. Pour ce faire, nous représentons sous forme de graphique les valeurs de vides moyennes obtenus pour chacune des plaques grâce aux 3 méthodes.

Figure 12. Comparaison des méthodes de détermination du pourcentage de vides d’un enrobé

Comme nous pouvons le constater, les valeurs obtenues au banc gamma et celles trouvées via la méthode géométrique paraissent relativement proches. En effet, l’écart moyen entre ces deux méthodes n’excède pas 0,3 points, sauf dans le cas des éprouvettes B où un écart de 0,6 points est observé. En revanche, les pourcentages de vides obtenus par la méthode

40

hydrostatique sont plus éloignées de la méthode du banc gamma ; en effet, un écart moyen de 0,8 points est constaté et jusqu’à 1,4 points pour les éprouvettes G et H. Il faut toutefois noter le fait, important, que la méthode hydrostatique n’est pas appliquée sur les éprouvettes elles mêmes, mais sur les « I » les séparant. Ainsi, des différences sensibles sont trouvées entre les éprouvettes cylindriques extraites d’une même plaque (comme nous le verrons par la suite). Il est donc logique que la différence soit plus marquée entre méthodes appliquées sur les éprouvettes cylindriques (partie centrale de la plaque) et celle appliquée sur les « I » (représentant un échantillon sur toute la hauteur de la plaque), et ce notamment pour des faibles compacités.

Ces comparaisons nous permettent de tirer certaines conclusions :

- La plaque d’enrobé ne semble pas être compactée de façon homogène. Ainsi, la partie inférieure des « I » semble contenir plus de vides, ce qui expliquerait en partie le fait d’obtenir des valeurs de vides plus élevé par la méthode hydrostatique. Cette constatation a déjà été soulevé précédemment (paragraphe 11.2.1.) où l’on a pu constater visuellement le gradient de vides sur la hauteur d’une plaque.

- La méthode du banc gamma donne des résultats satisfaisants, mais nécessite une évaluation très précise du diamètre de l’éprouvette. En effet, une variation de l’ordre du 10ème de millimètre sur le diamètre engendre des différences de l’ordre de 2 à 3 10ème de pourcent sur l’évaluation de la compacité. C’est d’ailleurs pour cela que des pesées hydrostatique ont été menées en dernier lieu sur les éprouvettes cylindriques décollées (après passage en MAER), notamment après l’observation d’écarts plus significatifs (sur les éprouvettes B et Epsilon) entre banc gamma et méthode géométrique.

- La méthode hydrostatique sur les « I » ne semble pas être adaptée, dans notre cas, à l’étude des vides des éprouvettes cylindriques d’EME. Bien que celle-ci soit peu coûteuse en temps et relativement simple à réaliser, il vaut mieux lui préférer la méthode géométrique comme première approche, à moins bien sûr de pouvoir réaliser la méthode hydrostatique directement sur l’éprouvette passée à la MAER (après sciage des deux extrémités encollés). Cependant, dans ce dernier cas, la méthode ne permet pas de connaître la teneur en vides avant l’essai de traction. En revanche, ces pesées sur les « I » permettent de corroborer les constations visuelles concernant le gradient de vides vertical.

Nous allons à présent affiner la comparaison banc gamma / méthode géométrique, les résultats de chacune de ces éprouvettes étant disponibles, partant toujours du principe que la méthode du banc gamma donne les résultats les plus justes. Nous y ajoutons également les mesures (non exhaustives) en pesée hydrostatique faites sur certaines éprouvettes cylindriques après l’essai de traction.

41

Figure 13. Comparaison des méthodes sur éprouvettes cylindriques

Comme nous pouvons l’observer sur ce graphique, la pesée hydrostatique donne, d’une façon générale, des valeurs légèrement inférieures à celle du banc gamma, avec un écart maximal inférieur à 0,6 points (éprouvette H1). La pesée hydrostatique, lorsqu’appliquée sur les éprouvettes cylindriques, corroborent donc relativement bien et avec une précision légèrement supérieure (comparée à la méthode géométrique) les mesures au banc gamma.

Comme nous pouvions nous y attendre au vue des remarques précédentes, les résultats obtenus avec la méthode géométrique sont proches de ceux obtenus par le banc gamma, sauf en ce qui concerne les éprouvettes de la plaque B et Epsilon. Ces deux plaques ayant des pourcentages de vides bien différents (1,5% et 4%), il est impossible au vue de ces seuls résultats de dire si la méthode géométrique est plus appropriée aux faibles ou aux fortes compacités.

Nous pouvons remarquer que les seules éprouvettes dont la mesure hydrostatique donne des résultats supérieurs au banc gamma sont les éprouvettes Epsilon. Ainsi, au vue de cette remarque et du relevé géométrique sur ces éprouvettes, nous garderons comme résultat moyen pour les éprouvettes Epsilon la moyenne du banc gamma et de la pesée hydrostatique, c'est-à-dire un pourcentage de vides de 4,2% (au lieu des 4% initiaux).

Enfin, ce graphique nous montre que les éprouvettes carottées au centre de la plaque (éprouvettes 2) ont une compacité plus élevée comparée à celles carottées sur les côtés (éprouvettes 1 et 3).

42

11.2.3. Conclusion

Nous rappelons ici les points importants touchant notre étude qui ont été mis en exergue quant à la détermination du pourcentage de vides via les trois méthodes de mesure :

- La méthode géométrique utilisée sur les éprouvettes cylindrique est simple et rapide d’utilisation. Les résultats fournis sont relativement fiables et peuvent donc servir en 1ère approche pour juger s’il est utile de passer les éprouvettes au banc gamma (si les caractéristiques sont proches de celles souhaitées) ou si la plaque peut être abandonnée et refabriquée.

- La méthode au banc gamma donne les résultats les plus proches de la réalité, avec toutefois des précautions à prendre lors des mesures de diamètre sur l’éprouvette.

- La pesée hydrostatique sur les « I » nous donne une information précieuse quant à l’homogénéité des vides sur la hauteur de la plaque, pouvant conforter les observations visuelles.

- La pesée hydrostatique sur les éprouvettes cylindriques peut éventuellement être réalisée après l’essai MAER, notamment pour conforter (voire affiner) des résultats trop discordant entre banc gamma et mesure géométrique.

43

12. Détermination de la teneur en liant

Le principe de cet essai, précédemment utilisé lors de la caractérisation des agrégats d’apport, est disponible à l’annexe 10.

12.1. Méthode et résultats

Après sciage de la plaque d’enrobé, nous en récupérons plusieurs morceaux pour réaliser cet essai de teneur en liant et ainsi être en mesure de caractériser au mieux les facteurs du plan d’expérience. Ces morceaux sont chauffés à 90°C pendant une durée d’environ 4 heures (ce qui permet de les ramollir) puis disposés dans des paniers cylindriques et introduits dans l’Asphalt analysator (modèle de la société Infratest). Nous réalisons 2 analyses pour chaque plaque (environ 1,5kg de matériau pour chacune des analyses), ce qui est jugé satisfaisant au vue de l’homogénéité de la teneur en liant obtenue grâce au malaxage et qui est constatée en générale.

Figure 14. Extraction de liant : panier contenant de l’enrobé avant et après l’essai

Asphalt Analysator

10 cycles de lavage +

6 cycles de séchage (durée : environ 1h)

44

12.2. Résultats et interprétation

Nous récapitulons ci-dessous les valeurs obtenues, pour les différentes plaques en comparaison avec les valeurs théoriques souhaitées.

Plaque Teneur en liant

théorique mesurée A 5,00% 5,74% B 6,20% 6,90% C 5,00% 5,55% D 5,60% 6,24% E 6,20% 6,72% F 5,60% 6,15% G 5,00% 5,66% H 6,20% 6,66% I 5,60% 6,01%

Epsilon 6,20% 6,74% Gamma 5,00% 5,36%

Tableau 12. Teneurs en liant réelles

Comme nous pouvons le voir sur le tableau ci-dessus, nous observons un écart positif d’environ 0,6% sur chacune des plaques par rapport à la teneur en liant souhaitée, et ce qu’elle que soit son contenu d’agrégats.

Les valeurs mesurées qui figurent dans ce tableau sont, pour chacune des plaques, les moyennes des 2 échantillons analysés. Les écarts de mesure sur 2 échantillons de la même plaque varient de quelques centièmes de point à trois dixièmes (cas de la plaque C).

12.3. Cause

Une telle variation sur la teneur en liant nous montre qu’il y’a forcément un problème, soit dans la formulation, soit avec l’appareil d’extraction. En effet, il est impossible d’avoir un tel écart en partant du principe que la fabrication est contrôlée, c'est-à-dire que les quantités de matériaux définit sont réellement incorporées au mélange. Plusieurs pistes ont été envisagées :

- Facteur « humain » dans l’établissement des feuilles de calculs de la formulation, le formulaire type du LRS ayant été modifié pour l’incorporation des agrégats.

- Caractérisation des agrégats d’apport en teneur en liant. Cette éventualité est à écarter puisqu’une dérive est également observée sur les plaques sans agrégats.

45

- Dérive de l’Asphalt Analysator. L’écart observé étant constant, cette cause semble à priori la plus plausible. En effet, le calcul de la teneur en liant s’effectuant par pesée des granulats désenrobés et du filler, il est possible que des fines soient extraites avec le bitume et ne soient donc pas pris en compte dans le calcul. Ainsi, des essais EAPIC (essais croisés inter-laboratoire) réalisés annuellement ont permis de mettre en évidence une dérive pouvant aller jusqu’à 0,3 point lors de la mesure de la teneur en liant par ce type d’appareil. Cependant, les essais sur la machine présente au LRS en 2008 ont montré une dérive de 0,1 point par rapport avec la moyenne à obtenir, ce qui tendrait à écarter l’éventualité d’une dérive si importante de l’appareil.

Les doutes concernant la teneur en liant réelle des enrobés fabriqués ont conduit à faire analyser deux échantillons, F et G, à raison de deux extractions par échantillon, dans un laboratoire tiers. Les résultats de ces analyses sont les suivants :

- Echantillon F : 5,14% et 5,63%, soit une moyenne de 5,39% (pour 5,60% en théorie)

- Echantillon G : 4,83% et 5,18% soit une moyenne de 5,00% (pour 5,00% en théorie)

12.4. Conséquence

Au vue des résultats obtenus par les analyses complémentaires et sachant que la fabrication de l’enrobé est contrôlée, nous admettrons dans la suite de l’étude la dérive de l’appareil. Nous conserverons donc le plan de teneur en liant initial prévu (5,60 ± 0,60%).

Cette dérive ne s’est produite que tardivement dans le déroulement du stage et ne remet pas en cause les extractions faites sur les agrégats d’enrobé. Les résultats du laboratoire tiers n’ayant été obtenus que quelques jours avant la rédaction du présent rapport, il n’a pas été possible de corriger l’anomalie ou de faire réaliser les autres essais de teneurs en liant. Pour connaitre avec précision les caractéristiques des éprouvettes, il serait utile de caractériser les plaques en teneur en liant ultérieurement et ainsi s’assurer des résultats « supposés ».

46

13. Essai MAER 13.1. Préliminaires

Une fois les éprouvettes cylindriques surfacées et la prise des mesures géométriques effectuée, il est nécessaire de procéder à l’encollage des casques qui vont nous permettre de réaliser l’essai de traction. Cette étape est décrite en 15.

Nous trouverons par ailleurs, en annexe 16, des informations sur l’essai MAER (invention, procédure d’essais selon la norme et interprétation théorique des résultats).

13.2. Divergence de procédure avec la norme

Comme nous pouvons le voir dans la norme NF EN 12697-26, les éprouvettes doivent être maintenues à la température d’essai pendant au moins 4 heures et la mise en température de l’enceinte MAER doit être au minimum de 4 heures pour nos types d’éprouvettes cylindriques. Cependant, compte tenu du temps imparti, nous nous contenterons d’une « préchauffe » d’une heure seulement pour l’enceinte MAER, explicable par le fait que nos éprouvettes sont mises à températures d’essai la veille de ce dernier, soit environ pendant une durée de 16 heures.

Nous devons également noter que les temps de stabilisation mécanique requis par la norme ne sont pas exactement respectés. De ce fait, nous exerçons une force nulle sur l’éprouvette pendant une vingtaine de minutes (au lieu des 30 minutes prévues dans la norme) et un couple nul pendant une dizaine de minutes (au lieu des 60 minutes de la norme). Ces réductions de temps sont nécessaires pour pouvoir réaliser les essais dans le temps imparti.

Les plages de température étudiées sont 10°C, 15°C, 5°C et 0°C, dans cet ordre d’exécution. La norme prévoit la réalisation des essais dans un ordre croissant de température, mais dans un souci de temps, nous commençons l’étude à 10°C. En effet, un essai préliminaire doit être réalisé à cette température et il est donc intéressant, pour un gain de temps, de commencer l’essai à 10°C au lieu de 0°C (qui nous ferait perdre une journée).

Concernant les temps de charge, ceux effectivement réalisés sont 3s, 10s, 30s, 100s et 300s. Nous ne réalisons pas le temps de charge de 1s car celui-ci est jugé trop endommageable pour l’éprouvette. En revanche, nous réalisons tous les temps de charge précédents aux 4 températures étudiées pour ainsi obtenir des résultats de module les plus précis possible avec seulement 3 éprouvettes par plaque.

47

13.3. Résultats obtenus

Remarque préliminaire : L’ensemble des courbes maitresses à 15°C pour un temps de charge de 0,02s est disponible en annexe 17. Nous y faisons également figurer les procès verbaux des enrobés qui récapitulent l’ensemble des résultats trouvés (hormis la teneur en liant). Nous en présentons ici uniquement le récapitulatif avec les explications concernant les modifications du domaine d’étude.

Comme nous avons pu le voir précédemment, un certain nombre de plaques a dû être refabriqué pour tenter de mieux coller aux caractéristiques de vides. Cependant, ceci n’est pas satisfaisant car ces éprouvettes offrent des écarts trop importants avec les valeurs cibles (écarts supérieurs à 1%). Il a donc été décidé de réattribuer des valeurs cibles en fonction des résultats obtenus, et ceci en gardant au maximum à l’esprit l’aspect pratique de cette étude. Nous pouvons toutefois noter que l’étude via le plan d’expérience n’en est pas affectée.

Nous présentons ici, sous forme de tableau, l’ensemble des résultats concernant les éprouvettes passées à l’essai MAER. Nous y indiquons de ce fait la teneur en agrégats (valeur théorique), les teneurs en vides (banc gamma) et en liant théoriques et mesurées ainsi que la valeur du module à 0,02s et 15°C correspondante aux 9 plaques du plan d’expérience.

Plaque Pourcentage

Agrégats Teneur en liant Pourcentage de vides Module

15°C ; 0,02s (MPa)

théorique théorique mesurée théorique mesuré A 20% 5,00% - 3,5% 3,7% 19585 B 20% 6,20% - 2,0% 1,1% 17890 C 0% 5,00% - 2,0% 3,2% 21112 D 40% 5,60% - 2,0% 2,1% 18675

Epsilon 0% 6,20% - 5,0% 4,2% 15266 F 0% 5,60% 5,39% 3,5% 2,8% 19343 G 40% 5,00% 5,00% 5,0% 4,9% 18324 H 40% 6,20% - 3,5% 3,1% 15916 I 20% 5,60% - 5,0% 4,7% 15938

E 0% 6,20% - 5,0% 3,6% 16252 Gamma 0% 5,00% - 2,0% 3,8% 19864

Tableau 13. Plan d’expérience revu et adopté

Remarques :

- Comme cela a été expliqué lors de la comparaison des différentes méthodes de mesure de compacité, la valeur de 4,2% de vides des éprouvettes Epsilon retenue est la moyenne du banc gamma et de la pesée hydrostatique.

- L’absence de mesures en teneur en liant a été expliquée dans le paragraphe 12.4.

Plaques utilisées pour le plan d’expérience

48

13.4. Incertitude de mesure

Nous évaluons ici l’incertitude qui entache la mesure de la valeur du module à 15°C et 0,02s. Pour ce faire, nous calculons l’écart type de répétabilité à l’aide de la formule suivante :

1

)²(3

11 −

−=∑

=− n

xxi

i

nσ

où x est la moyenne par plaque des modules pour 15°C et 0,02s.

Après calcul, nous obtenons les valeurs d’incertitudes suivantes :

Plaque Pourcentage

Agrégats Teneur en liant Pourcentage de vides Module

15°C ; 0,02s (MPa)

Ecart type (MPa)

théorique théorique mesurée théorique mesuré A 20% 5,00% - 3,5% 3,7% 19585 ± 766 B 20% 6,20% - 2,0% 1,1% 17890 ± 319 C 0% 5,00% - 2,0% 3,2% 21112 ± 1227 D 40% 5,60% - 2,0% 2,1% 18675 ± 242

Epsilon 0% 6,20% - 5,0% 4,2% 15266 ± 442 F 0% 5,60% 5,39% 3,5% 2,8% 19343 ± 504 G 40% 5,00% 5,00% 5,0% 4,9% 18324 ± 741 H 40% 6,20% - 3,5% 3,1% 15916 ± 697 I 20% 5,60% - 5,0% 4,7% 15938 ± 501

E 0% 6,20% - 5,0% 3,6% 16252 ± 550 Gamma 0% 5,00% - 2,0% 3,8% 19864 ±450

Tableau 14. Résultats complets (% Ag, teneur en liant, % vides, modules et incertitudes de mesure)

Les écarts types présentés ci-dessus seront nécessaires par la suite pour le traitement des données du plan d’expérience via le logiciel Statgraphic.

Nous donnons également en annexe 18 la totalité des écarts types aux différents temps de charge (0,02s, 3s, 10s, 30s, 100s, et 300s), et ce uniquement pour la température de 15°C. En observant ces écarts types, nous pouvons voir que ceux-ci diminuent pour les temps de charge plus élevés, ce qui est rassurant puisque les valeurs de modules deviennent quant à elles plus faibles.

L’étude statistique menée sur ces valeurs de modules nous a aussi permis de montrer que les résultats suivent une loi de Gauss (par construction de droites de Henry non présentées ici).

49

14. Interprétation des résultats

14.1. Préliminaires

L’analyse du plan d’expérience est réalisée avec le logiciel Statgraphic. Il est important de noter que les données entrées dans le logiciel sont les données théoriques de vides et de teneur en liant et ne sont en aucune façon les caractéristiques réelles des plaques. En effet, pour que l’analyse soit possible, il faut uniquement 3 niveaux par facteur (ce qui n’est évidemment pas possible si l’on décide de rentrer les valeurs réelles). De plus, ces niveaux doivent impérativement être centrés pour que le test de Pareto soit possible (par exemple teneur en liant de 5,60 ± 0,6%). Nous avons donc regroupé les pourcentages de vides en 3 familles avec les écarts 2,0 ± 1% ; 3,5 ± 0,7% et 5,0 ± 0,8%. De même, pour la teneur en liant, nous avons adopté les familles 5,00% ; 5,60% et 6,20%.

Il est important de rappeler que les niveaux de teneur en liant, à la date de rédaction du présent rapport, ne sont pas encore vérifiés. Les résultats qui suivent ont été obtenus en considérant une teneur en liant cible à 5,60%, c'est-à-dire avec un plan d’expérience en teneur en liant non modifié.

Le logiciel Statgraphic nous a permis, via l’analyse de Pareto, de trouver quels facteurs sont les plus influents sur le module de rigidité et d’établir le modèle mathématique permettant de calculer le module d’un EME dans les plages spécifiées par les niveaux de l’étude.

14.2. Poids des effets

Le test de Pareto nous a tout d’abord donné une estimation des effets entre facteurs en nous fournissant les poids de ces facteurs.

Estimated effects for Var_1

average = 16347,9 +/- 314,104

A: Agrégats = -937,333 +/- 486,607

B: Teneur en liant = -3316,33 +/- 486,607

C: Pourcentage de vides = -2716,33 +/- 486,607

Figure 15. Poids des facteurs donnés par Statgraphic

50

Les signes négatifs devant chacun de ces facteurs montrent qu’une augmentation des facteurs agrégats, teneur en liant et pourcentages de vides conduisent dans notre cas à une diminution des valeurs de module.

Au vue des valeurs, nous pouvons en déduire que les facteurs B et C (respectivement la teneur en liant et le pourcentage de vides) sont statistiquement influents. Il est également possible de représenter graphiquement ces facteurs.

Figure 16. Représentation graphique de Pareto du poids des facteurs

Ainsi, nous pouvons clairement identifier les facteurs statistiquement influents situés à droite du trait bleu vertical. Celui-ci correspond à un indicateur de risque statistique critique utilisé dans le plan d’expérience prenant en compte les degrés de libertés et les interactions possibles.

14.3. Modèle mathématique

Le test de Pareto nous a également fournit une fonction mathématique à partir de laquelle il est théoriquement possible de calculer le module d’un EME connaissant sa teneur en liant, sa teneur en vides et sa teneur en agrégats d’enrobé. Le nombre d’essais (9 dans notre cas) est insuffisant pour permettre l’étude d’éventuelles interactions entre facteurs.

Le modèle mathématique obtenu est de la forme CcBbAaYYi ...0 +++=

Avec Yi = réponse expérimentale du module de rigidité déterminée par la MAER

Y0 = valeur moyenne du module déterminée à partir des 9 essais expérimentaux = 37120,1 MPa

{a ; b ; c} = niveaux respectifs des facteurs A, B et C = {- 2343,4 ; - 276361 ; - 90544,4}

51

A = teneur en agrégats d’enrobés de la formule en %

B = teneur en liant de la formule en %

C = teneur en vides de la formule en %

Au vue des signes négatifs des différents niveaux a, b et c, nous pouvons dire, comme il en a été question lors de l’étude du poids des effets, qu’une augmentation de l’un de ces facteurs diminuent la valeur de module.

Après remplacement des niveaux des facteurs et de la constante, nous obtenons la formule mathématique suivante :

CBAYi .90544.276361.234337120 −−−=

Remarque : La valeur maximale de module est obtenue pour les valeurs minimales des niveaux des facteurs, c'est-à-dire pour A = 0%, B = 5,00% et C = 2,0%. Avec ces valeurs, nous obtenons un module de rigidité égal à 21491MPa.

14.4. Limites de l’étude

Rappel : Nous redonnons ici les domaines de variation pour lesquels ont été réalisés les essais:

- Teneur en agrégats : de 0% à 40%

- Teneur en liant : de 5,00% à 6,20%

- Teneur en vides : de 2,0% à 5,0%

Il est important de préciser que le modèle mathématique est bien entendu restreint aux bornes de variation précédemment citées et valable uniquement avec des constituants et une composition similaires. Le bitume d’apport est un bitume pur 10/20. Il est également utile de préciser que le bitume apporté par les agrégats présente une moindre rigidité que le bitume d’apport.

Il faut également rappeler la dispersion quant aux compacités réellement obtenues. En effet, pour certaines plaques (plaque C notamment), une dispersion de l’ordre de 50% vis-à-vis de la teneur en vides a été observée. Ceci est à mettre en relation avec le fait, comme expliqué précédemment, que les valeurs entrées dans le logiciel sont théoriques, c'est-à-dire que malgré une teneur en vides réelle de 3,2%, celle-ci figurera à 2,0% dans le logiciel et sera interprétée comme telle. Il en est de même pour les teneurs en liant, même si dans ce cas les écarts entre théorie et pratique semblent être moindres.

52

Enfin, il est important de rappeler que cette formule a été obtenue via l’interprétation d’un plan d’expérience qui nous a permis de réaliser 9 essais au lieu des 27 initiaux. Le fait d’utiliser le plan d’expérience représente donc un compromis qui nous a permis d’effectuer tous les essais nécessaires en un temps réduit. Ainsi, même si la méthodologie est approuvée et utilisée par bon nombre d’expérimentateurs, elle ne permet pas d’obtenir de si bon résultats que si nous avions réalisé l’ensemble des 27 essais. La réalisation des autres (ou une partie) essais permettraient d’affiner les prédictions fournis par le plan d’expérience.

14.5. Résultats du plan d’expérience complet

Il est à présent possible de calculer toutes les valeurs de module du plan d’expérience complet. Nous les présentons ainsi dans le tableau ci-dessous où nous indiquons par la même occasion les intervalles de confiance à 95% (fournis par le logiciel), qui nous permettront par la suite la construction de fuseaux de passage.

53

Essai Teneur en agrégats

(%)

Teneur en liant (%)

Teneur en vides (%)

Module (MPa) Borne inférieure

(IC = 95,0%)

Borne supérieure

(IC = 95,0%) mesuré calculé 1 0% 5,00% 2,0% 21112 21491 20294 22689 2 0% 5,00% 3,5% 20133 19112 21154 3 0% 5,00% 5,0% 18775 17577 19972 4 0% 5,60% 2,0% 19833 18812 20854 5 0% 5,60% 3,5% 19343 18475 17667 19282 6 0% 5,60% 5,0% 17117 16095 18138 7 0% 6,20% 2,0% 18175 16977 19372 8 0% 6,20% 3,5% 16817 15795 17838 9 0% 6,20% 5,0% 15266 15458 14261 16656 10 20% 5,00% 2,0% 21022 20001 22044 11 20% 5,00% 3,5% 19585 19664 18857 20472 12 20% 5,00% 5,0% 18306 17285 19327 13 20% 5,60% 2,0% 19364 18557 20172 14 20% 5,60% 3,5% 18006 17495 18517 15 20% 5,60% 5,0% 15938 16648 15841 17455 16 20% 6,20% 2,0% 17890 17706 16685 18727 17 20% 6,20% 3,5% 16348 15541 17155 18 20% 6,20% 5,0% 14990 13968 16011 19 40% 5,00% 2,0% 20554 19356 21751 20 40% 5,00% 3,5% 19196 18174 20217 21 40% 5,00% 5,0% 18324 17837 16640 19035 22 40% 5,60% 2,0% 18675 18896 17874 19917 23 40% 5,60% 3,5% 17537 16730 18345 24 40% 5,60% 5,0% 16179 15158 17201 25 40% 6,20% 2,0% 17237 16040 18435 26 40% 6,20% 3,5% 15916 15879 14858 16901 27 40% 6,20% 5,0% 14521 13324 15719

Tableau 15. Valeurs de module des EME du plan d’expérience complet

Il est à présent possible de comparer les valeurs observées expérimentalement à celles obtenues à l’aide du modèle mathématique, et ce pour les 9 plaques du plan d’expérience fractionnaire. Nous présentons les résultats obtenus sous la forme d’un graphique. L’abscisse représente les modules calculés en MPa alors qu’en ordonnée nous pouvons lire la différence « module mesuré – module calculé » en MPa.

54

Residual Plot for Var_1

15 17 19 21 23(X 1000)

predicted

-900

-600

-300

0

300

600

900

resi

du

al

Figure 17. Comparaison des valeurs observées aux valeurs prédites

Ce graphique nous montre clairement les écarts entre module mesuré et module prédit. Ainsi, nous pouvons voir que sur les 9 valeurs mesurées, le plus gros écart réside dans la plaque 5 (notation du plan d’expérience complet) et que cet écart est inférieur à 900MPa. Cette valeur peut paraître élevée, mais il ne faut pas oublier que nous sommes dans le cas d’un EME, c'est-à-dire avec des spécifications minimales de module qui doivent être supérieures ou égales à 14000MPa. Cet écart ne représente donc, au vue des résultats présentés ici, qu’un écart relatif inférieur à 7% de la valeur réelle du module. Il est à mettre en relation avec les écarts de l’ordre de 5 à 6% trouvés sur les résultats de module fournis par la MAER.

14.6. Observations

Nous avons pu voir, lors de l’étude du poids des facteurs, que les facteurs les plus influents sont la teneur en liant et la teneur en vides. Dans cette partie, nous allons nous intéresser tour à tour à ces différents facteurs et à la teneur en agrégats en essayant d’en quantifier l’impact de leurs variations de niveaux sur le module de rigidité d’un EME.

Pour ce faire, nous avons représenté graphiquement chacun de ces paramètres en fixant les deux autres, ce qui nous a permis de quantifier plus précisément l’impact de chacun d’entre eux.

55

• Influence de la teneur en liant

Figure 18. Influence de la teneur en liant sur le module d'un EME (pourcentage de vides et d'agrégats fixés)

Comme nous l’avons déjà remarqué, l’augmentation de la teneur en liant dans les limites de l’étude (5,00% à 6,20%) provoque une diminution du module, et ce quelque soit la teneur en vides ou en agrégats considérés. Cette diminution est de l’ordre de 280MPa par augmentation de 0,1 point de teneur en liant.

Sur ce graphique, il est également possible d’observer la prédominance du facteur « vide » sur le facteur « agrégats ». En effet, les EME offrant les modules les plus élevés sont ceux dont la compacité est la plus élevée, le pourcentage d’agrégats n’intervenant que dans leur classification secondaire.

Il serait également possible, grâce à ce graphique, de quantifier l’impact d’une augmentation de teneur en vides ou en agrégats sur le module. Cependant, nous préférons ici tracer chaque graphique pour mieux se rendre compte de cet impact.

56

• Influence de la teneur en vides

Figure 19. Influence de la teneur en vides sur le module d'un EME (teneur en liant et pourcentage d'agrégats fixés)

De même ici, nous voyons clairement que l’augmentation du pourcentage de vides dans les limites de l’étude (2,0% à 5,0%) provoque une diminution du module, et ce quelque soit la teneur en liant ou en agrégats considérés. Cette diminution est de l’ordre de 900MPa par point de teneur en vides.

Nous pouvons également observer la prédominance du facteur « liant » sur le facteur « agrégats ». En effet, les EME offrant les modules les plus élevés sont ceux dont la teneur en liant est la plus faible.

57

• Influence de la teneur en agrégats

Figure 20. Influence de la teneur en agrégats sur le module d'un EME (teneur en liant et en vides fixés)

Nous pouvons voir ici que l’augmentation de la part des agrégats dans le mélange n’entraîne qu’une faible diminution du module de l’EME. En effet, celle-ci n’est que d’environ 1000MPa pour une variation de 40%, c'est-à-dire une diminution de l’ordre de 250MPa par augmentation de 10% d’agrégats (234MPa exactement au regard de la formule mathématique).

Ce graphique met également en évidence l’influence plus importante des facteurs teneur en liant et teneur en vides. Nous pouvons voir qu’un EME à 5,0% de vides pour une teneur en liant de 5,00% aura un module plus faible qu’un EME à 2,0% de vides et 5,60% de teneur en liant. Cette remarque est importante puisqu’il apparaît que le fait de compacter plus énergiquement le matériau pourrait compenser un dosage plus faible en liant vis-à-vis des caractéristiques en module de rigidité d’un EME. Cependant, il ne faut pas oublier qu’une compacité de 98% représente une valeur énorme, difficilement atteignable et pouvant provoquer la cassure de certains granulats. De plus, il n’est pas toujours aisé d’obtenir la compacité souhaitée, d’autant plus sur chantier, pouvant faire de cette éventuelle économie de bitume une entreprise périlleuse, notamment au niveau de la résistance en fatigue du matériau où les spécifications minimales pour un EME 2 s’avèrent élevés avec 130µdef. En effet, il faut aussi rappeler que plus la teneur en liant est élevée, meilleure est la résistance en fatigue (cours de Réalisation des infrastructures de transport, A.-G. DUMONT, 2009), résistance en fatigue qui représente une caractéristique importante d’un EME.

58

14.7. Fuseaux de passage

Lorsque nous avons donné les résultats du plan d’expérience complet, nous avons également donné les intervalles de confiance à 95% que le logiciel Statgraphic nous a fournis. A partir de ces bornes inférieures et supérieures, il est possible de créer des fuseaux de passage qui vont nous donner une idée de la valeur de module en fonction des différents paramètres.

La teneur en agrégats d’un mélange étant raisonnablement censée être connue lors de la formulation, ces fuseaux sont déterminés à pourcentage d’agrégats fixés pour une variation de teneur en liant et de compacité.

Nous donnons ci-dessous l’exemple de l’un de ces graphiques (fuseaux de compacité à 0% d’agrégats), les autres étant disponibles en annexe 19.

Figure 21. Fuseaux de passage en compacité du module d’un EB14-EME2 contenant 0% d’agrégats

Comme nous pouvons le voir sur le graphique ci-dessus et ceux disponibles en annexe 19, la valeur du module de rigidité est prédite par des fuseaux de passage d’amplitude maximale égale à 2000MPa, ceci pour un intervalle de confiance de 95%. Ces abaques permettent d’avoir un ordre de grandeur de la valeur réelle du module de rigidité et ainsi de mieux se rendre compte des risques éventuels concernant la durée de vie de la chaussée.

Fuseau à 5,00% de teneur en liant

Fuseau à 5,60% de teneur en liant

Fuseau à 6,20% de teneur en liant

59

15. Compétences acquises

Ce projet de fin d’étude m’a donné l’opportunité de travailler dans un laboratoire de renom spécialisé dans le domaine routier. J’ai pu y découvrir un domaine qui m’était encore inconnu, celui de la recherche, ainsi que des outils d’analyses puissant tels que les plans d’expérience.

Lors de mes recherches bibliographiques, j’ai assimilé une quantité relativement importante d’informations concernant les enrobés en général (contenu d’une étude de formulation, essais divers), et plus particulièrement concernant les enrobés à module élevé. J’ai ainsi pu appréhender leur historique, leurs caractéristiques mécaniques ou encore leur rôle dans une chaussée de façon plus poussée que celle vue lors de mes études universitaires. Ces recherches m’ont également conduit à rencontrer des personnes de notoriété dans le domaine routier qui m’ont apporté leur aide, ce qui a indubitablement apporté un plus à mon projet.

Ce projet m’a également permis d’acquérir des apports concrets. J’ai tout d’abord pu découvrir et réaliser l’ensemble des opérations relatives à la fabrication d’un enrobé en laboratoire, de l’étude de formulation à la conception pratique des plaques d’enrobé. J’ai ainsi pu me familiariser avec un nombre important de normes concernant les mélanges hydrocarbonés. De plus, en réalisant moi-même l’ensemble de ces étapes, j’ai pu me rendre compte des difficultés qui s’y rattachent ainsi que des écarts inhérents entre la théorie et la pratique.

J’ai aussi pu réaliser les principaux essais de caractérisation d’un enrobé, découvrant ainsi des méthodes d’essai de type extraction de liant ou de compacité qui m’étaient jusque là inconnues. J’ai pu en observer la fiabilité ainsi que les limites de certaines d’entre elles, notamment concernant la détermination des vides d’une éprouvette.

Par mes lectures, j’ai pu découvrir les divers essais utilisés pour la mesure du module d’un enrobé, et notamment l’essai de traction directe (MAER) avec lequel j’ai réalisé mon étude. J’ai ainsi pu me familiariser avec la procédure d’essai MAER et maitriser les procédés (construction de la courbe maîtresse) qui permettent d’obtenir la valeur de module de rigidité utilisée lors du dimensionnement d’une chaussée.

Ce stage m’a enfin apporté des notions plus abstraites. En qualité d’ingénieur, j’ai pu faire preuve d’une grande autonomie en planifiant mon projet et en le menant à ma façon. J’ai dû faire preuve de flexibilité et d’adaptabilité aux objectifs, ce qui m’a d’ailleurs amené à prendre des décisions importantes vis-à-vis de la bonne exécution de mon projet. J’ai enfin pu développer mon esprit critique quant aux divers résultats obtenus, que ce soit lors de l’interprétation des essais de caractérisation ou ceux de module de rigidité.

60

16. Conclusion

Le but de cette étude était d’établir un modèle mathématique permettant d’évaluer l’impact d’une variation de teneur en liant, de compacité ou d’agrégats sur le module d’un enrobé à module élevé de classe 2. Ce modèle, obtenu à l’aide d’un plan d’expérience fractionnaire, devait ainsi permettre de prédire l’influence de ces facteurs pour des variations observables sur chantier et permettre de mieux quantifier leur impact sur la durée de vie réelle d’une chaussée.

Cette étude a permis d’établir que la teneur en liant et la compacité étaient les facteurs statistiquement influents (sur les trois facteurs étudiés) pour l’évaluation du module. Cependant, bien que débouchant sur un modèle mathématique fonctionnel, cette étude fait l’objet d’un bilan mitigé. Nous en tirons ici les conclusions qui s’imposent.

Concernant le facteur compacité, le domaine d’étude initial n’a pas pu être atteint. En effet, l’un des objectifs principaux de cette étude était de quantifier l’influence d’un sous compactage d’un EME qui constitue un problème inhérent au chantier. Hors, lors de nos fabrications, il est apparu très difficile d’obtenir les compacités souhaitées (faibles ou fortes). Les déterminations de pourcentage de vides ont mise en évidence une hétérogénéité de la compacité sur la hauteur de la plaque et des différences importantes entre les compacités souhaitées et réellement obtenues. Les faibles compacités (8,5% de vides) n’ont pu être atteintes, sans doute en partie à cause d’une montée trop rapide de la table de compactage. Certaines fortes compacités n’ont pas non plus pu être obtenues, probablement à cause d’une formulation d’enrobé ou d’un compacteur de plaques peu compatibles avec les objectifs recherchés. Dans ce dernier cas, il aurait ainsi été préférable de réaliser des essais PCG pour étudier au préalable la faisabilité de l’étude. Cependant, nous avons pu observer, via l’application du modèle mathématique, qu’une variation de -1 point sur la compacité entraînait une diminution de 900MPa sur le module.

Pour le facteur liant, l’objectif était d’en quantifier l’influence d’un sous dosage, faits observables sur chantier. Les essais ont été entrepris dans les gammes de teneur en liant observables sur les EME en Alsace. Des analyses réalisées à l’Asphalt Analysator ont montré un écart de 0,6 points comparé aux valeurs cibles, mais cette dérive semble provenir de l’appareil. A l’aide du modèle mathématique, il a été mis en évidence qu’une augmentation de 0,1% de liant entraînait une diminution de l’ordre de 280MPa.

Concernant le facteur agrégats, les résultats trouvés répondent mieux aux attentes. Ainsi, il a pu être démontré que la présence d’agrégats, jusqu’à 40% du mélange, diminuait de façon minime le module d’un EME (à raison de 230MPa par augmentation de 10%). Nous avons par ailleurs pu voir que la présence d’agrégats d’enrobé augmentait la maniabilité du mélange et facilitait donc son compactage. Des études antérieures en fatigue menées au LCPC ont montré que l’ajout d’agrégats avait tendance à améliorer le comportement en fatigue.

61

Ainsi, au vue des résultats de module en présence d’agrégats d’enrobé et la mise en avant des considérations environnementales, il apparaît plus que judicieux de les incorporer dans la formulation d’un EME.

Des essais de résistance à la fatigue sont programmés sur les demi-éprouvettes déjà testées en module de rigidité. L’ensemble des résultats représentera ainsi les critères de dimensionnement (module et fatigue) d’une chaussée et devrait donner une première tendance de l’impact d’une non-conformité de chantier sur la durée de vie de la chaussée. Les résultats devront être consolidés en retenant des plages de variation de teneur en liant et de compacité compatibles avec la réalité de chantier.

62

Bibliographie

• Ouvrages et revues

[1] DELORME J-L., DE LA ROCHE C., WENDLING L., Routes et sécurité routière CR39F, Manuel LCPC d’aide à la formulation des enrobés, impression Jouve, 2007, 2ème édition, 197p

[2] DESTHUILLIERS C., Conception et dimensionnement des structures de chaussée,

Imprimerie Julien-Nollet, 1994

[3] ELVIRA J.L., FERNANDEZ del CAMPO J. A., Comportement mécanique des mélanges

bitumineux, Bulletin de liaison des laboratoires des ponts et chaussées, spécial V, décembre

1977, p.153-163

[4] FRANCKEN L., Module complexe des mélanges bitumineux, Bulletin de liaison des

laboratoires des ponts et chaussées, spécial V, décembre 1977, p.181-198

[5] GOUPY J., La méthode des plans d’expériences, Optimisation du choix des essais & de

l’interprétation des résultats, Imprimerie Gauthier, 1988, 303p

[6] GOUPY J., Les plans d’expérience, Revue Modulad n°34, 2006, p.74-116

[7] GUILLERME A., GLASSON D., BRUNSCHWIG G., BERTHONNET A., L’aventure

des laboratoires régionaux des ponts et chaussées, Presses de l’Ecole nationale des ponts et

chaussées, 2003, 258p

[8] LINDER R., Application de l’essai de traction directe aux enrobés bitumineux, Bulletin de

liaison des laboratoires des ponts et chaussées, spécial V, décembre 1977, p.255-274

[9] LINDER R., Comportement en traction simple des enrobés hydrocarbonés, Rapport de

recherche LPC n°71, oct 1977, 100p

[10] LINDER R., Les plans d’expérience, Un outil indispensable à l’expérimentateur, Presses

de l’Ecole nationale des ponts et chaussées, 2005, 319p

[11] MOULIERAC H., PREVOST F., Les enrobés bitumineux Tome 1, Imprimerie Moderne de Bayeux, 2001, 229p

63

[12] MOUTIER F., Bilan au 31/10/84 des études réalisées par le LR d’Angers relatives aux

essais de traction sur MAER, janv 1985

[13] MOUTIER F., Etude statistique de l’effet de la composition des enrobés bitumineux sur

leur comportement en fatigue et leur module complexe, Bulletin de liaison des laboratoires

des ponts et chaussées, mars-avril 1991, p.33-41

[14] PREVOST F., GRESSET P., Les enrobés bitumineux Tome 2, Imprimerie Moderne de Bayeux, 2003, 381p

[15] THIBAULT M., Dictionnaire de l’entretien routier Volumes 1-2-3, 1996, 208p

[16] RAY M., CHARONNAT Y. VAGUELSY D., DELUDE P., PROST J., BERISSI R., Les

formules régionales de béton. Etude de l’influence de la variabilité naturelle des composants.

Plan d’expérience, Bulletin de liaison des laboratoires des ponts et chaussées, mars-avril

1975, p.81-91

[17] SOLIMAN S., DOAN T.H., Influence des paramètres de formulation sur le module et la

résistance à la fatigue des graves bitumes, Bulletin de liaison des laboratoires des ponts et

chaussées, spécial V, décembre 1977, p.229-246

• Normes

NF EN 12697-1, Méthodes d’essai pour mélange hydrocarboné à chaud, Partie 1 : Teneur en

liant soluble, Mélanges bitumineux, AFNOR, avril 2006

NF EN 12697-2/IN1, Méthodes d’essai pour mélange hydrocarboné à chaud, Partie 2 :

Granulométrie, Mélanges bitumineux, AFNOR, sept 2007

NF EN 12697-6+A1, Méthodes d’essai pour mélange hydrocarboné à chaud, Partie 6 :

Détermination de la masse volumique apparente des éprouvettes bitumineuses, Mélanges

bitumineux, AFNOR, sept 2007

NF EN 12697-7, Méthodes d’essai pour mélange hydrocarboné à chaud, Partie 7 :

Détermination de la masse volumique apparente des éprouvettes bitumineuses par les rayons

gamma, Mélanges bitumineux, AFNOR, juin 2003

64

NF EN 12697-8, Méthodes d’essai pour mélange hydrocarboné à chaud, Partie 8 :

Détermination des pourcentages de vides caractéristiques des éprouvettes bitumineuses

NF EN 12697-26, Méthodes d’essai pour mélange hydrocarboné à chaud, Partie 26 : Module

de rigidité, Mélanges bitumineux, AFNOR, déc 2004

NF EN 12697-33+A1, Méthodes d’essai pour mélange hydrocarboné à chaud, Partie 33 :

Confection d’éprouvettes au compacteur de plaque, Mélanges bitumineux, AFNOR, sept 2007

NF EN 12697-35+A1, Méthodes d’essai pour mélange hydrocarboné à chaud, Partie 35 :

Malaxage en laboratoire, Mélanges bitumineux, AFNOR, sept 2007

NF EN 13108-1, Spécification de matériaux, Mélanges bitumineux, AFNOR, fév 2007

NF EN 13108-8, Spécification de matériaux, Agrégats d’enrobés, AFNOR, mars 2006

NF EN 993-1, Essais pour déterminer les caractéristiques géométriques des granulats, Partie

1 : Détermination de la granularité - Analyse granulométrique par tamisage, AFNOR, déc

1997

NF P 98-250-3, Préparation des mélanges hydrocarbonés, Partie 3 : Confection d’éprouvettes

dans un bloc de mélange hydrocarboné, Essais relatifs aux chaussées, AFNOR, déc 1992