Colloque GRINCH 2015 Programme et résumés des présentations

Par

Guy Doré Alan Carter

Daniel Perraton Michel Vaillancourt

Hassan Baaj Claudiane Ouellet Plamondon

Université Laval 26 mai 2015

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Colloque du Groupe de Recherche en Ingénierie des Chaussées 2015 Horaire des présentations – 26 mai 2015

Avant-midi

Heure Durée Titre Présentateur (s) École

08:30 00:10 Présentation générale des activités de recherche à l'Université Laval Guy Doré UL

08:40 00:15 Présentation générale des activités de recherche à l'Université de Waterloo Hassan Baaj UW

08:55 00:10 Présentation générale des activités de recherche à l'École de Technologie Supérieure Alan Carter ETS

09:05 00:10 Effet des charges en période de restriction des charges : Volet terrain Mamadou Badiane UL

09:15 00:15 Effet des charges en période de restriction des charges : Volet laboratoire Ahmed El Youssoufy UL

09:30 00:10 Evaluation of Pavement Damage under Freeze-Thaw Cycles Saeed Badeli ETS

09:40 00:10 Analyse des profils longitudinaux des chaussées pour caractériser la dégradation du pergélisol et du gel saisonnier

Laurie-Anne Grégoire UL

09:50 00:10 Comportement mécanique des sols marginalement gelés Mathieu Durand-Jézéquel UL

10:00 00:20 Pause

10:20 00:15 Étude avancée de l'effet des charges sur la réponse mécanique et l'endommagement des chaussées souples Damien Grellet UL

10:35 00:15 Development of high performance asphalt mixes containing reclaimed asphalt pavement for cold climate Saeed Saliani ETS

10:50 00:15 Introduction projet verre - SAQ Éric Lachance-Tremblay ETS

11:05 00:15 Étude du comportement thermique d’une chaussée incorporant du verre de post-consommation Youness Berraha ETS

11:20 00:20 Étude et caractérisation du granulat de verre de postconsommation comme matériaux de corps de chaussées William Bernard ETS

11:40 00:10 Adhésion du bitume sur des granulats de verre recyclés Laura Sapateiro ETS

11:50 00:10 Evaluation of Using Recycled Glass in Pavement Structure Sahar Mohsenian ETS

12:00 01:00 Dîner (Disponible à la cafétéria du Pavillon Alphonse Desjardins)

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Après-midi

Heure Durée Titre Présentateur (s) École

13:00 00:15 Influence du débit et de la température de l'eau sur le régime thermique du sol autour des ponceaux construits sur pergélisol Loriane Périer UL

13:15 00:15 Utilisation de la géophysique gravimétrique pour la détection de glace massive dans les sols pergélisolés Benoît Loranger UL

13:30 00:20 Formulation et caractérisation des enrobés recyclés à froid Apparao Gandi et Julien Kagabo ETS

13:50 00:10 Techniques de protection du pergélisol: Revêtements à albédo élevé Caroline Richard UL

14:00 00:10 Techniques de protection du pergélisol: Dimensionnement des pentes Florence Lanouette UL

14:10 00:15 Techniques de protection du pergélisol: Extraction de chaleur Vincent Lamontagne UL

14:25 00:10 Formulation et caractérisation d’enrobés coulés à froid 100% recyclés Marie Quioc et Arbia Garfa ETS

14:35 00:10 Évaluation des performances des enrobés tièdes avec l’incorporation des granulats bitumineux recyclés Sofiane Benyoucef ETS

14:45 00:20 Pause

15:05 00:15 Développement d'outils de gestion du risque Heather Brooks UL

15:20 00:15 Développement d’un modèle de performance pour les chaussées bitumineuses réhabilitées Amel Ferjani ETS

15:35 00:15 Caractérisation des matériaux bitumineux retraités à froid Quentin Lecuru ETS

15:50 00:40 Logiciels de dimensionnement des chaussées : OPECC et i3c-me Emmanuel Dion et Damien Grellet ETS/UL

16:30 Fin du colloque – Merci à tous les participants

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Résumé des présentations

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Effet des charges sur les chaussées en période de restriction des charges : Volet terrain Mamadou Badiane, maîtrise UL mamadou.badiane.1@ulaval.ca Directeur: Guy Doré - UL Au Québec, les conditions climatiques ont une grande influence sur le comportement des chaussées. En effet, avec la présence combinée d’eau, de sols gélifs et de températures négatives pendant le gel, il y a formation de lentilles de glace. La présence de ces lentilles de glace est à l’origine du soulèvement au gel. Pendant le dégel, avec l’accumulation d’eau attribuable à la fonte de la glace, il y a une baisse de la capacité portante. Cet affaiblissement au dégel rend la chaussée vulnérable à la sollicitation par le trafic lourd. Afin de minimiser les dégradations de la chaussée, les administrations routières imposent des restrictions de charges. L’objectif de ce projet est donc de développer un outil d’aide pour la gestion des restrictions de charge en période de dégel en fonction des données recueillies par les stations de météo routière. Les essais sont réalisés in-situ au Site Expérimental Routier de l’Université Laval (SERUL). Le suivi se déroule sur deux saisons printanières et deux saisons estivales. Il est réalisé sur des sections de chaussées ayant deux épaisseurs différentes de revêtement bitumineux (100mm et 200mm). Pour bien interpréter le comportement des structures, des jauges de déformations verticales et horizontales, des jauges de contraintes et des jauges de teneur en eau ont été installées dans chaque couche, en plus d’une station météo routière. Un déflectomètre à masse tombante (FWD) avec trois niveaux de chargement (40, 53 et 71kN) est utilisé pour simuler le passage des charges lourdes. Les résultats de la première année d’expérimentation ont montré qu’il y a une perte de la capacité portante de la chaussée au printemps par rapport à l’été comprise entre 40% et 59% dans les différentes couches de matériaux non liées. Aussi, une restriction des charges de 8 à 20% d’une charge de 40kN pendant le dégel entraine une réduction des dommages en fatigue de 20 à 52%.

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Effet des charges sur les chaussées en période de restriction des charges : Volet laboratoire Ahmed El Youssoufy, maîtrise UL ahmed.el-youssoufy.1@ulaval.ca Directeur : Guy Doré - UL Afin de minimiser les dommages causés par les charges lourdes durant la période de dégel, le Ministère des Transports du Québec impose une diminution des charges des véhicules lourds. En utilisant plusieurs méthodes et techniques de mesure, le MTQ réalise le suivi du gel/dégel dans la chaussée afin de déterminer la période de début de dégel et par conséquent imposer la période de restriction des charges. Le présent projet de recherche intitulé « Effet des charges sur les chaussées en période de restriction des charges » cherche à développer un outil d’aide pour déterminer la période de restrictions des charges durant la période de dégel en fonction des données recueillies. De plus, les activités cherchent à développer les connaissances sur les mécanismes d’affaiblissement des chaussées au dégel sous les effets de charges lourdes. À cet effet, une fosse d’essai routier a été construite au laboratoire de géotechnique routière de l’Université Laval. Cette fosse d’essai est de dimension 2x2x6 m3 et est utilisée en combinaison avec un simulateur de charge de véhicules lourds mobile. La structure de la fosse est constituée d’une couche d’enrobé bitumineux de 100 mm type EB-10 (PG58-28), d’une couche de fondation de 200 (MG-20), d’une couche de sous fondation de 450 mm (MG-112) et d’un sol d’infrastructure sable silteux (SM) d’une épaisseur de 1250mm. Le simulateur de véhicules lourds permet de contrôler la température sur la chaussée en créant un environnement isolé. La chaussée a donc été gelée dans un premier temps, et dégelée dans un deuxième temps. En appliquant une charge de 4000, 5000 et 5500 kg sur l’essieu mobile équipé de pneus jumelés roulant à une vitesse de 5,5 km/h, des mesures de la réponse mécanique de la chaussée ont été prises sur des intervalles de temps déterminés, en fonction de l’évolution du dégel. Les données mesurées sont la température, les déformations, les contraintes et la teneur en eau à différents niveaux de profondeur dans la chaussée.

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Evaluation of Pavement Damage under Freeze-Thaw Cycles Saeed Badeli saeed.badeli86@gmail.com Directeur: Alan Carter - ÉTS Co-directeur : Guy Doré - UL Asphalt mixtures are temperature sensitive and have viscoelastic characteristics, so the performance and characteristic of asphalt mixture are mostly affected from the influence of nature phenomenon. In Canada, like in many other northern countries, freeze-thaw cycles are common during spring. Also, it is believed that the number of freeze-thaw cycles is increasing with the effect of climate change. Because of that, the actual methods to predict the pavement distress may overestimate the pavement life. Fatigue cracking distress is a fracture mechanism generated by a repeated application of tensile strains which are less than the strength of the materials. The effect of environmental freeze-thaw cycle test on the evolution of fatigue cracking has not investigated yet properly. In this study, freeze-thaw cycles test will be used to simulate the effect of temperature and moisture on asphalt fatigue resistance based on laboratory testing and empirical equations. For the laboratory parts, a bituminous mix will be prepared and subjected to freeze-thaw cycles. The cycles will be of different length, at different temperature, with and without rest period, in dry condition and in water or in deicing solution. During the cycles, the complex modulus will be evaluated, as well as the fatigue resistance and the tensile strength by using the Wöhler’s law method. Wöhler law defines the fatigue resistance of an asphalt mix by indicating the relationship between the fatigue life of the mixture and magnitude of the applied strain. It is related to the initiation phase of the fatigue damage in the asphalt material.

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Analyse des profils longitudinaux des chaussées : Effet du gel saisonnier et de la dégradation du pergélisol Laurie-Anne Grégoire, maîtrise UL (en collaboration avec LVM) laurie-anne.gregoire.1@ulaval.ca Directeur : Guy Doré - UL Ce projet de recherche consiste à élaborer un outil d’analyse et d’aide à la décision en profilométrie qui contribuerait à localiser les zones sensibles au gel saisonnier et à la dégradation du pergélisol, ainsi qu’à poser des diagnostics sur les causes de dégradations. L’outil permettrait également de sélectionner les meilleures stratégies d’atténuation et de réfection. Cette étude est faite en parallèle avec le programme de recherche en ingénierie nordique Arquluk et la chaire de recherche industrielle i3C. La présentation décrira d’abord l’approche expérimentale utilisée pour les travaux sur chaussées en contexte de gel saisonnier. Par la suite, le volet pergélisol du projet sera présenté. Gel saisonnier : Actuellement, au Québec, la méthode de diagnostic d’une section de route gélive consiste à utiliser un seuil de ΔIRI calculé aux 100 m. Il faut tout d’abord savoir que l’IRI est calculé à l’aide d’un modèle mathématique de la réaction d’un véhicule excité par les variations de l’élévation du profil de la chaussée. Le ΔIRI est alors la différence entre l’IRI calculé l’hiver et l’IRI calculé l’été à un même endroit sur une chaussée. La méthode d’analyse choisie est l’analyse par longueurs d’onde, qui consiste à diviser le profil en plusieurs bandes de longueurs d’onde pour voir l’impact de chaque bande sur le profil original. Pergélisol : L’analyse des profils par longueurs d’onde permettra de caractériser l’évolution de la dégradation de la chaussée sur pergélisol et d’identifier quelles sont les caractéristiques typiques des signaux obtenus sur des profils mesurés dans ce contexte de sols particuliers.

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Comportement mécanique des sols marginalement gelés Mathieu Durand-Jézéquel, maîtrise UL mathieu.durand-jezequel.1@ulaval.ca Directeur : Guy Doré - UL L’étalement des remblais par rotation et fluage des épaulements est un problème important en régions de pergélisol. Ce mécanisme contribue à réduire la capacité fonctionnelle et la durée de vie des remblais, augmentant ainsi considérablement les coûts d’entretien de ces structures. Le problème, relativement bien documenté dans la littérature, est généralement attribué au fluage des épaulements sous le poids statique du remblai. Peu d’information est disponible sur l’effet de la charge dynamique induite par le passage répété des véhicules lourds et des trains circulant sur ces remblais. L’objectif principal du projet est de quantifier l’effet de la charge déviatorique répétée sur le comportement mécanique des sols marginalement gelés. Des essais sur des sols reconstitués seront effectués en laboratoire. Les sols utilisés seront des silts avec une teneur en eau qui assurera une saturation complète. Les échantillons seront gelés, puis placés en cellule triaxiale à une température homogène d’environ -0,5 °C. Cette température près du point de congélation est utilisée pour simuler le comportement du pergélisol qui se trouve tout juste sous la couche active en été, c’est-à-dire le sol le plus susceptible de se déformer par fluage. La particularité de ces essais est le fait qu’ils seront drainés par la base, afin de permettre à l’eau non gelée au sein de l’échantillon de pouvoir être expulsée. Un système de fil chauffant assurera un drainage efficace même dans un environnement sous 0 °C, tandis que des contrôles de température indépendants de la base drainante, de la tête ainsi que du corps de l’échantillon assureront une homogénéité de la température de l’échantillon durant toute la durée des essais.

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Étude avancée de l'effet des charges sur la réponse mécanique et l'endommagement des chaussées souples Damien Grellet, doctorat UL damien.grellet.1@ulaval.ca Directeur : Guy Doré - UL L’analyse de l’endommagement des chaussées, sous le passage répété des charges lourdes nécessite l’identification des sollicitations s’exerçant dans les couches bitumineuses. Ce projet, réalisé en collaboration avec l’IFSTTAR et plus spécifiquement avec l’équipe et les infrastructures du manège de fatigue situées à Nantes (France), a comme premier objectif de développer et valider une instrumentation permettant une lecture finie et précise des déformations s’exerçant dans l’enrobé bitumineux au passage de plusieurs types de charges lourdes et sous plusieurs conditions environnementales. L’association de deux types d’instrumentation à fibres optiques permettant la mesure des déformations au bas des couches de revêtement, à deux centimètres sous la surface ainsi que de part et d’autre d’une interface entre deux couches bitumineuses, a répondu à ce premier objectif. Le second objectif est d’analyser et de modéliser le comportement viscoélastique des couches bitumineuses et de leur interface via l’interprétation des déformations mesurées. L’intégration, dans une modélisation de la structure de chaussée, d’une interface viscoélastique d’une très faible épaisseur entre les couches bitumineuses a permis une bonne corrélation entre les résultats obtenus avec le logiciel ViscoRoute 2.0 et les mesures expérimentales. Pour rencontrer ces deux objectifs, les mesures ont été réalisées sous quatre niveaux de tonnage appliqués sur des essieux équipés dans un cas d’un pneu simple à bande large puis dans un second cas avec des pneus jumelés. L’ensemble des mesures ont été réalisés pour plusieurs vitesses de charge et pour trois niveaux de températures sur quatre structures de chaussée ayant des épaisseurs de revêtement variant entre 50 mm et 200 mm. Le troisième objectif du projet est d’appliquer la modélisation afin d’obtenir les contraintes en traction et en cisaillement proche des pneus pour différents types d’essieux et de chargements et d’utiliser des critères de rupture afin d’expliquer le mécanisme de fissuration s’initiant proche de la surface.

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Development of high performance asphalt mixes containing reclaimed asphalt pavement for cold climate Seyed Saeed Saliani, doctorat ÉTS saliani.saeed@gmail.com Directeur: Alan Carter - ÉTS Codirecteur : Hassan Baaj - UW Nowadays, it is common to add reclaimed asphalt pavement (RAP) in asphalt mixes without changing the modulus and the low temperature properties. Not only will those mixes are able to make roads last longer, but they are a greener alternative to usual mixes. In order to make a flexible pavement design, the mixture behaviour is usually characterized with the complex modulus. To have a high modulus mix, you need to control the gradation precisely, and to use a binder that has a high modulus without becoming brittle at low temperature. As of now, those binders exist only in research labs and they are very expensive. The objective of this study is to design a high modulus asphalt mixes with high percentage of reclaimed asphalt (RAP), and to evaluate the possibility to use a rejuvenator that gives flexibility to the binder without affecting its modulus. Also, in this study, we will optimize the gradation in function of air voids content and model complex modulus according to the hot mix asphalt mix design with reclaimed asphalt. Afterwards, the use of rejuvanators will be studied with the same rheological tests. The analysis of those tests, combine with a chemical analysis of the rejuvanators and the binders used should enable us to better understand the interaction between all the products in the mixes. The modeling of the complex modulus, used in pavement design, will be done in function of the characteristics of the mix (air voids, gradation, amount of binder, etc.) as well as a function of the fundamental properties of the RAP binder such as asphaltene content. As result, the mixed modeled to have high performance mixes without the use of expensive binder and with use of the stiffness of the RAP to gain high modulus without impairing the thermal cracking resistance.

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Étude du comportement thermique d’une chaussée incorporant du verre de post-consommation Youness Berraha, maîtrise ÉTS jo_wax@hotmail.com Directeur : Michel Vaillancourt – ÉTS Codirecteur : Daniel Perraton – ÉTS

Dans les pays nordiques et notamment au Québec, l’apparition avec l’hiver des températures froides se traduit par la pénétration du gel dans les chaussées et leurs sols de fondation. Dans ces conditions, de courtes périodes de redoux surviennent et la répétition de ces cycles de gel-dégel contribue à la diminution de la capacité portante de la structure de chaussée. D’autre part, 200 millions de bouteilles de verre ont été récupérées en 2012 1 et les usines de recyclage ne sont pas en mesure de traiter tout ce verre de postconsommation. Afin de valoriser ce verre non recyclé, nous proposons ici de mettre à profit ses propriétés thermiques dans le but de réduire l’impact des cycles de gel-dégel. Pour ce faire, des essais de conductivité et de capacité thermique ont été réalisés sur des mélanges de matériaux granulaires et de particules de verre (MGV) ainsi que sur des mélanges enrobés/verre (MEV). Ces essais ont permis de caractériser thermiquement ces mélanges, et ce pour différents dosages en verre. Suite à ces essais, une étude paramétrique a été menée via des simulations numériques pour connaitre l’influence de l’incorporation de MGV ou de MEV sur la propagation des flux thermiques dans la chaussée. À travers l’analyse des profils de températures à différents instants et à différentes profondeurs, nous mettons en évidence l’influence de certains paramètres (dosage en particules de verre ou profondeur de la couche de MGV ou MEV) sur la propagation du front de gel. Nous avons montré le potentiel apporté par l’intégration d’un matériau à faible conductivité thermique tel que le verre dans le comportement thermique de la chaussée. L’objectif final est de coupler les résultats de ces simulations thermiques à des modélisations mécaniques et hydriques afin de confirmer ou d’infirmer l’intérêt de valoriser le verre en tant que substitue d’une partie des granulats présents dans les chaussées.

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Étude et caractérisation du granulat de verre de postconsommation comme matériaux de corps de chaussée William Bernard, maîtrise ÉTS william.bernard.2@etsmtl.net Directeur : Michel Vaillancourt - ÉTS Codirecteur : Daniel Perraton – ÉTS

Dans le cadre de ce projet au sein du LCMB, l’objectif est d’étudier la possibilité de l’utilisation de granulat de verre de postconsommation comme matériaux de corps de chaussées. Plusieurs mélanges de granulats incorporant différents pourcentages massiques de verre (0 ; 25 ; 50 ; 75 et 100 %) ont été caractérisés du point de vue des propriétés géotechniques et du point de vue granulaire. Ainsi, il a été possible d’évaluer l’influence de l’ajout de verre sur les propriétés du mélange granulaire. L’aptitude au compactage et l’influence de la teneur en eau sur celle-ci ont été déterminées à l’aide de l’essai proctor modifié. Le bris des particules lors de la compaction a également été étudié. Ensuite, l’essai de cisaillement direct a permis d’obtenir les paramètres de résistance au cisaillement (cohésion et angle de frottement interne) des différents mélanges granulaires. Enfin, la friabilité et l’usure par attrition ont été mesurées afin de vérifier si les différents mélanges de granulats répondent aux exigences du Ministère des Transports du Québec. Les résultats montrent qu’avec l’ajout de verre, la densité sèche maximale, la sensibilité à l’eau de l’aptitude au compactage et l’angle de frottement interne diminuent. La plus faible densité sèche obtenue s’explique en partie par une masse volumique brute des granulats de verre plus faible. La résistance au cisaillement, bien qu’inférieure pour les granulats de verre, reste proche de celle obtenue avec les granulats standards. Enfin, concernant la durabilité des granulats, caractérisée à l’aide de l’usure par attrition et la friabilité, le verre répond aux exigences du Ministère des Transports du Québec. De plus, il s’avère également être plus performant que les granulats de calcaire, utilisés comme comparaison, et donc plus résistant aux chocs. Ainsi, au vu des résultats obtenus, nous pouvons conclure que l’utilisation de granulats de verre recyclés, au sein du corps de la chaussée, semble être possible jusqu’à hauteur de 75%.

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Adhésion du bitume sur des granulats de verre recyclés Laura Sapateiro, stagiaire ÉTS laura.sapateiro@entpe.fr Directeur: Michel Vaillancourt – ÉTS Codirecteur : Daniel Perraton - ÉTS Le but à terme de ce projet serait de pouvoir recycler le verre de postconsommation en l’utilisant partiellement à la place du granulat conventionnel utilisé dans les enrobés bitumineux. On s’intéresse ici aux propriétés d’adhésion entre le verre et le bitume, ainsi que l’influence de l’eau sur celles-ci. Nous partons tout d’abord de l’hypothèse que le verre a une adhésion inférieure à celle du granulat utilisé avec le bitume. Pour vérifier et quantifier cela, nous allons effectuer un essai de Bitumen Bond Strength qui est un dérivé de l’essai PATTI (Pneumatic Adhesion Tensile Testing Instrument). Cet essai consiste à quantifier la force permettant de séparer un bitume collé à une plaque de verre dans le cas d’une faille adhésive (faille se situant à l’interface entre le bitume et la plaque de verre). Nous effectuerons cet essai dans les conditions sèche et mouillée avec différents temps de conditionnement dans l’eau. De plus, nous voulons mesurer l’angle de contact formé entre une goutte de bitume et une plaque de verre. Celui-ci étant relié à la tension d’adhésion entre les deux matériaux, nous pourrons ainsi confronter les deux essais. Ceci permettra par la suite de faire des essais à l’échelle d’un enrobé contenant du verre.

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Evaluation of Using Recycled Glass in Pavement Structure Sahar Mohsenian H.A, doctorat ÉTS sahar.mohsenian-hadad-amlashi.1@ens.etsmtl.ca Directeur : Michel Vaillancourt - ÉTS Codirecteur : Alan Carter - ÉTS

The ever increasing volume of waste materials, the shortage of landfill spaces and the limitation of natural resources motivate researchers to find innovative ways for recycling and reusing waste materials like waste glass. Using glass as an aggregate in the pavement structure is an innovative method of recycling, and helps to reduce landfill sites. Furthermore, Recycled glass based on its engineering properties seems to be a good candidate for the use an aggregate in pavement structure and contribute to preventing frost action, which is a common occurrence within pavement structure in cold region. The main objective of my research is the study of pavement performance when recycled glass is used as an aggregate in its structure. Specifically, the objectives of this research are outlined as follows: 1) Evaluating the possibility of using recycled glass as an aggregate in unbound layers of

pavement considering three aspects, mechanical, hydraulic and thermal; 2) Evaluating the effects of using recycled glass to improve the drainage and also to

change the thermal regime of pavement structure and studying its effects to prevent frost action;

3) Investigating the potential for using recycled glass as an insulation layer in pavement structure

Two steps are considered in my thesis, experimental phase and numerical phase. In the first step an extensive set of geotechnical engineering laboratory tests will be conducted on recycled glass and its blends with natural aggregates. Afterwards, recycled glass will be studied as an insulation layer to keep underlying layers temperature under the freezing temperature and also as a boundary to reduce capillarity action from subgrade through base and subbase materials. In the second phase of my thesis, numerical modeling will be done to investigate the mechanical-thermal-hydraulic behavior of pavement structure with recycled glass.

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Influence de la circulation de l’eau sur le régime thermique autour de ponceaux construits sur pergélisol Loriane Perier, maîtrise UL loriane14@hotmail.com Directeur : Guy Doré - UL La construction d’ouvrages en présence de pergélisol représente un défi important dans les régions nordiques. L’apport de chaleur que peuvent induire les infrastructures routières est susceptible d’affecter le régime thermique du sol sous-jacent. Les changements touchants l’équilibre thermique du sol entrainent la fonte du pergélisol et, par conséquent, la dégradation de l’infrastructure. Sur l’Alaska Highway au Yukon (Canada), des problèmes d’instabilités sont observés aux abords des ponceaux. En autorisant la libre circulation de l’air et de l’eau à travers une conduite, des perturbations thermiques additionnelles sont infligées au sol environnant. Des conditions de drainage de l’eau inadéquates contribuent à la sévérité des dégradations. Deux ponceaux ont été choisis et instrumentés sur l’Alaska Highway. Les températures du sol autour des ponceaux ont été enregistrées chaque heure pendant une année ; tandis que la température de l’eau et le débit ont été enregistrés pendant deux printemps et étés. La collecte de ces données a permis de valider un modèle mathématique établit liant le débit et la température de l’eau avec le flux de chaleur transmis du ponceau vers le sol. En parallèle, un modèle 2D a été développé sur le logiciel TEMP/W de GeoStudio et validé avec les données de terrain. Des simulations de variation de débit et de température de l’eau ont été introduites dans le modèle mathématique pour obtenir de nouveaux flux thermiques. Ces différents flux ont été appliqués dans le modèle thermique 2D afin de déterminer l’influence du débit et de la température de l’eau sur les températures du sol sous le ponceau. Des simulations similaires ont été conduites en faisant varier des paramètres de conception comme la présence ou non de l’isolant ainsi que son emplacement. Finalement, les conclusions suivantes ont été tirées : le régime thermique du sol semble être très sensible à la variation des températures de l’eau et moins sensible à celles du débit. Finalement, la présence de l’isolant a un impact considérable sur la réduction de la profondeur de dégel.

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Utilisation de la géophysique gravimétrique pour la détection de la glace massive dans les sols pergélisolés Benoît Loranger, maîtrise UL benoitloranger@gmail.com Directeur : Guy Doré - UL D'un point de vue d'ingénierie, l'information la plus importante pour gérer la construction et l'entretien des infrastructures de transport dans les régions nordiques est la localisation et le contenu en glace du pergélisol riche en glace. Le projet fait partie d'Arquluk, programme de recherche en ingénierie nordique, et utilise la microgravimétrie pour détecter la glace massive enfouie et le pergélisol riche en glace. Cette méthode géophysique détecte, dans le sol, des anomalies entre des matériaux de masse volumique différente. La glace étant environ la moitié de la masse volumique du sol environnant, des anomalies gravimétriques négatives correspondant à la présence de glace enfouie sont détectables. Un gravimètre Scintrex (CG5) a été utilisé pour l'acquisition des données. Des données ont été recueillies au Yukon (Dry Creek) et au Groenland (Kangerlussuaq) où la présence de pergélisol riche en glace et de glace massive enfouie a été validée par des forages et des mesures de résistivité.

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Evaluation and Optimization of Cold Recycled Bituminous Mixes in Function of Stiffness and Curing Methodology Apparao Gandi, doctorat ÉTS apparaog.iitg@gmail.com Directeur: Alan Carter – ÉTS Codirecteur : Dharamveer Singh – ITT Bombay (Inde) Most of the work done on Canada’s road network can be categorized as maintenance or rehabilitation. Because of this, a lot of research is being undertaken on many different aspects of pavement maintenance and rehabilitation in order to increase the lifespan of what is already built. Particularly, Cold In-place Recycling (CIR) and Full-Depth Reclamation (FDR) of asphalt pavements are famous design alternatives for road rehabilitation. These techniques have shown huge potential saving money and material, and allowing a convenient way of fixing proper grade and cross slope to highway. However, even if many successful projects were completed with these techniques, there are still some problems are not addressed by the researchers on the subject. One of the areas where much work is needed is in the understanding and the modeling of the behavior of those materials at young age. Those two materials, mostly when treated with asphalt emulsion, have evaluative characteristics with time, which is mostly linked to their water content. The mix design for CIR and FDR is still mostly based on experience, which makes difficult the use of new materials. The main objective of this research project is to characterize and to model the rheological properties of CIR and FDR materials treated with asphalt emulsion or with foamed asphalt. The results from the research will contribute to a better understanding of the mix design method based on the gyratory compactor; To establish a complex modulus, rutting resistance and fatigue resistance testing method and setup well adapted for CIR and FDR materials; To evaluate the effect of the water content on the rheological properties of CIR and FDR materials; Furthermore, research outcome will help to develop mechanistic-empirical pavement design methods.

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Stabilisation thermique des infrastructures de transport construites sur pergélisol instable à l’aide de surfaces à albédo élevé Caroline Richard, maîtrise UL caroline.richard.6@ulaval.ca Directeur : Guy Doré - UL Depuis plusieurs années, les conséquences du réchauffement climatique se font sentir dans le Nord canadien. Les risques associés à l’augmentation de la température affectent la sécurité des infrastructures de transport. Les tassements causés par le dégel du pergélisol et la consolidation des sols réduisent la capacité fonctionnelle du revêtement de la chaussée. Afin de diminuer ces impacts les impacts liés à la modification du régime thermique du sol sous la chaussée, les surfaces à albédo élevé peuvent être utilisées dans le but de limiter l’absorption de chaleur provenant de la radiation solaire. L’objectif principal du projet est de développer des outils d’adaptation efficaces, à l’aide de surfaces à albédo élevé, pour la stabilisation thermique des chaussées construites sur pergélisol sensible au dégel. Des sections d’essais situées à la Forêt Montmorency (Parc des Laurentides, Québec), sur l'autoroute de l’Alaska (Beaver Creek, Yukon) et à Tasiujaq (Nunavik, Québec) permettront de documenter l’efficacité et la durabilité des matériaux de revêtement à albédo élevé. Ces sections d’essais seront instrumentées de thermistances mesurant les températures de surface. L’albédo, l’adhérence et la texture seront également mesurés. En parallèle avec l’expérimentation faite sur le terrain, un programme de laboratoire sera entrepris en vue d’élaborer un ensemble de spécifications techniques pour les matériaux de revêtement à albédo élevé. Des protocoles pour quantifier les propriétés de ces produits seront développés afin de produire une gamme de spécifications pour soutenir la mise en œuvre et l’implantation des revêtements à albédo élevé en régions nordiques. La visée de ce projet de recherche est de proposer des outils d’adaptation en vue de diminuer les températures de surface et ainsi limiter la quantité de chaleur accumulée par le sol durant l'été. L’accomplissement du projet permettra de développer une méthode d’intervention pour stabiliser les infrastructures de transport basé sur un cycle de vie utile adéquat du revêtement. Le produit escompté fournira aux ingénieurs une gamme d’outils permettant de limiter la dégradation du pergélisol et ainsi préserver les routes et pistes d'atterrissage des régions nordiques.

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Conception d’infrastructures linéaires de transport construites sur le pergélisol en tenant compte de l’accumulation de neige le long des remblais Florence Lanouette, maîtrise UL florence.lanouette.1@ulaval.ca Directeur : Guy Doré - UL Co-directeur : Daniel Fortier - UdM Dans les régions nordiques, les infrastructures de transport jouent un rôle prédominant pour la subsistance, le développement économique et le maintien d’une qualité de vie des populations. Néanmoins, leur présence induit des perturbations de la température du sol. Combinée aux changements climatiques, cette modification de l’équilibre thermique engendre la dégradation du pergélisol sous-jacent affectant la capacité portante du sol d’infrastructure, pouvant ainsi causer des tassements importants endommageant significativement les infrastructures. Un impact notable de la construction d’une route ou d’une piste d’atterrissage est qu’en faisant obstacle au vent, elles favorisent l’accumulation de neige le long de la pente du remblai à l’abri des vents dominants. L’entretien des voies de circulation en hiver contribue aussi à augmenter l’épaisseur de neige au pied du remblai. Cet épaississement localisé du couvert neigeux accroît significativement la rétention de chaleur dans le sol grâce aux propriétés isolantes de la neige. Le sol ne peut donc plus se refroidir autant en hiver et le pergélisol se dégrade préférablement sous la pente et le pied du remblai. L’objectif de la recherche est de développer une procédure de design permettant de prendre en compte cette accumulation de neige le long des remblais. L’approche générale du projet repose sur l’utilisation d’un modèle bidimensionnel réalisé à l'aide du logiciel de modélisation géothermique TEMP/W représentatif du régime thermique dans la neige et le sol sous-jacent au pied du remblai. Ce modèle est calibré à l’aide de données thermiques collectées durant l’hiver 2014-2015 à deux sites d’études : le long de la piste d’atterrissage de Tasiujaq au Nunavik et le long de l’autoroute de l’Alaska à Beaver Creek au Yukon. Une fois le modèle jugé adéquat, des analyses de sensibilité sont accomplies afin de quantifier l’impact des paramètres de conception associés à la géométrie du remblai tels que la hauteur et l’angle des pentes.

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Suivi du comportement thermique de l’adaptation aux changements climatiques de la route d’accès de l’aéroport de Salluit au Nunavik, Québec Vincent Lamontagne, maîtrise UL vincent.lamontagne.4@ulaval.ca Directeur : Guy Doré - UL La route d’accès à l’aéroport de Salluit traverse, à flanc de pente, un dépôt d’argile instable au dégel. Cette route est le seul accès terrestre entre le village de Salluit et l’aéroport. Les changements climatiques et la construction du remblai routier ont conjointement contribués à la dégradation du pergélisol en-dessous de l’infrastructure altérant cette dernière précocement. Afin d’assurer la pérennité et la sécurité de la route, le Ministère des Transport du Québec (MTQ) a effectué des travaux de réhabilitation dont la mise en place d’un drain thermique (côté aval) et l’adoucissement de la pente du côté aval. Ce projet permettra de documenter l’efficacité du drain thermique afin d’en améliorer la conception, si besoin. Pour effectuer le suivi du comportement thermique du remblai et évaluer l’efficacité du drain thermique, des câbles à thermistances verticaux et horizontaux ont été installés pour mesurer la température du remblai et du sol. Des thermistances ont également été installées directement dans le drain thermique enregistrant la température de l’air dans ce dernier. Un câble à fibre optique "Distributed Temperature Sensing" (DTS), permettant de mesurer la température du sol en tout point en bordure de la route a également été mis en place. Les thermistances et la fibre optique laissent présager que le drain thermique est efficace. En effet, elles montrent une remontée du plafond du pergélisol. De plus, les conditions nécessaires à l’établissement d’un mouvement convectif de l’air permettant au drain thermique d’être performant sont présentes.

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Formulation et caractérisation d’enrobés coulés à froid 100% recyclés Marie Quioc, Stagiaire ÉTS marie.quioc@utt.fr Arbia Garfa, doctorat ÉTS agarfa2013@gmail.com Directeur : Alan Carter - ÉTS Codirecteur : Anne Dony – ESTP (France) Les enrobés coulés à froid, appelé ECF, sont une technique de revêtement de surface destinée à apporter une bonne adhésion aux routes. Ils consistent en une mince couche de quelques millimètres d’épaisseur et permettent de réparer les défauts structuraux et superficiels des routes. La qualité des routes reste correcte pendant nettement plus longtemps si une couche d’ECF est appliquée régulièrement, à long terme le coût est nettement diminué. De plus, cette technique permet un gain d’énergie car elle se fait à température ambiante. Dû à ces avantages, l’utilisation des ECF devrait augmenter au fur et à mesure du temps. C’est pourquoi, l’objectif de ces travaux est de trouver une formulation d’un ECF 100% avec des matériaux recyclés et donc de rendre cette technique le plus écologique possible. Cette nouvelle formulation doit vérifier les critères imposés par The International Slurry Surfacing Association (ISSA). La complexité et le manque d’information de l’interaction entre les constituants du mélange rendent la formulation difficile à déterminer. C’est dans cet objectif que plusieurs formulations ont été faites afin de trouver celles avec les proportions optimales. La méthode consiste à déterminer laquelle présente les meilleures performances en fonction de sa composition granulaire, son taux d’émulsion bitumineuse, le pourcentage d’eau, la teneur en ciment et d’autres additifs qui permettent la restauration du bitume vieilli. Leur performance est déterminée par les essais suivants : essai de déplacement, essai d’abrasion et essai de cohésion. Après l’analyse des résultats des essais, une formulation a été retenue. La formulation sélectionnée répond aux normes ISSA des essais de déplacement et d’abrasion. En revanche, il est nécessaire de trouver un moyen d’augmenter la cohésion des échantillons qui ne répond pas à la norme.

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Évaluation des performances des enrobés tièdes avec l’incorporation des granulats bitumineux recyclés Sofiane Benyoucef, doctorat ÉTS sofianegc@yahoo.fr Directeur : Alan Carter - ÉTS Codirecteur : Daniel Perraton - ÉTS Codirecteur : François Olard – Groupe Eiffage (France)

La demande de trafic augmente de jour après jour avec le développement économique et sociologique des régions. Pour répondre à ces besoins, les administrations routières se trouvent face à des défis incontournables. Le maintien du confort au roulement dépend essentiellement des budgets alloués à l’entretien et la réhabilitation des réseaux routiers, qui sont souvent limités. Le besoin de développement des techniques à la fois économique et efficace s’avérait nécessaire depuis plusieurs décennies. Grâce aux efforts et recherches, plusieurs techniques de construction et de réhabilitation ont vu le jour. Parmi ces techniques, la technique de fabrication des enrobés tièdes. Les enrobés tièdes regroupent les différents procédés de fabrication et de pose des mélanges bitumineux à une température relativement réduite de 20° à 40°C par rapport à celle d’un enrobé conventionnel à chaud. Cette réduction de température engendre une réduction de consommation d’énergie et des émissions de gaz à effet de serre. La possibilité de l’incorporation des granulats bitumineux recyclés dans ces mélanges est un autre avantage à considérer de façon sérieuse. Actuellement au Québec l’adoption de la technique des enrobés tièdes reste toujours faible et se limite sur quelques projets expérimentaux réalisés depuis 2005. De plus, le recyclage des anciens enrobés dans de nouveaux mélanges est limité à 20% de la masse des granulats, tandis que, dans le cas des couches de surfaces des autoroutes, ce pourcentage passe à 10%. Tout en gardant les mêmes caractéristiques habituelles d’un enrobé : la rigidité, la durabilité et l’ouvrabilité, le projet de recherche évaluera la qualité du moussage des bitumes, l’évolution de l’effet du moussage dans le temps et les performances à basses et hautes températures des enrobés tièdes moussés avec des granulats bitumineux recyclés en dépassant les limites de dosage normatives.

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Quantitative Risk Analysis of Linear Infrastructure from Geotechnical Properties to Societal Impacts Heather Brooks, doctorat UL heathermbrooks@gmail.com Director : Guy Doré – UL Codirector : Ariane Locat - UL Qualitative analysis processes are currently used to design, and allocate maintenance monies for, linear infrastructure on permafrost. The routing is generally selected using a qualitative process with risks and their associated consequences evaluated using a scalar rating system, generally 1 to 5 or 1 to 10. The values of risk and consequence are multiplied to determine an importance factor. Risks are ranked and analyzed based on the value of the importance factor. Climate change vulnerability assessments for highways in permafrost regions of Canada utilized this methodology. While these analysis methods have been used in practice for many years, there is a push within the engineering community towards analysis methods based on probability theory, quantifying the analysis process. Specifically, probabilistic methods have been used to determine the reliability of geotechnical factors of safety, and statistical updating methods have been presented to refine geotechnical investigations. The goal of this project is to develop a tool for quantitative risk assessment for embankment infrastructure (roads and airstrips) built on permafrost. The tool will be objective, limiting the human factor from the risk assessment; this tool could be used to prioritize maintenance monies or select infrastructure routes to reduce risk. The analysis method will be calculated on a landform basis, utilizing input values including: climate factors (present or future depending on the needs of the user), geotechnical properties (in-situ soil and fill material properties), and site geometry. A landform is an area defined in surficial geologic mapping, formed by a specific geological process; thus, the underlying soil conditions and surrounding land features should be similar. Weighted averaging of the greatest risk along an alignment should be used to determine an overall infrastructure risk. A landform calculation basis will also allow a risk analysis map to overly the landform maps commonly used in infrastructure development and management. The objective tool will determine the vulnerabilities of existing infrastructure and aid in determining the risk associated with climate warming. Since a risk analysis includes both an analysis of failure probability and a consequence of failure analysis, the socio-economic costs, both direct and indirect, can be added to the analysis; helping communities to use limited resources in an effective manner. Since the roadway and airstrip infrastructure is of upmost importance in rural communities, a quantitative risk assessment tool will also aid the public sector in hazard assessments.

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Développement d’un modèle de performance pour les chaussées bitumineuses réhabilitées Amel Ferjani, doctorat ÉTS amel.ferjani.1@ens.etsmtl.ca Directeur: Alan Carter – ÉTS Codirecteur : Michel Vaillancourt - ÉTS L’état actuel du réseau routier au Québec nécessite de développer des stratégies permettant de favoriser la réhabilitation et éviter la réfection totale de la chaussée. En effet, pour choisir et planifier la technique de réhabilitation la plus appropriée, il est nécessaire de prédire l’évolution des dégradations moyennant les modèles de performance. Cependant, actuellement il n’existe pas de modèles de performance adaptés aux chaussées réhabilitées. C’est dans ce cadre que s’inscrit le travail de cette thèse qui vise à une meilleure compréhension du comportement mécanique des chaussées réhabilitées et à bien prédire l’évolution de la performance en fatigue dans les structures réhabilitées par planage-resurfaçage et par les techniques de retraitement en place. Les données du LTPP (Long-Terme Pavement Performance Program) et des suivis effectués sur l’Autoroute 30 seront utilisés. Pour atteindre les objectifs de ce travail, on commencera par tester les modèles de fatigue existants adaptés aux chaussées neuves puis on va cibler un modèle à étudier. Les différents facteurs pouvant affecter la performance en fatigue des chaussées réhabilitées seront évalués. Ensuite, on va utiliser les méthodes des éléments finis pour étudier l’influence du taux de fissuration dans l’ancien revêtement, la rigidité des couches existantes ainsi que les conditions d’interface sur la réponse contrainte-déformation de la chaussée afin de caractériser la performance en fatigue de la structure réhabilitée. Par ailleurs, la propagation des fissures représente l’un des principaux modes d’endommagement à prendre en compte en matière de dimensionnement. De ce fait, une partie de cette thèse sera consacrée à modéliser et prédire la propagation des fissures aux travers les nouvelles couches des chaussées réhabilitées.

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Caractérisation des matériaux bitumineux retraités à froid Quentin Lecuru, maîtrise ÉTS quentin.lecuru.1@ens.etsmtl.ca Directeur : Alan Carter - ÉTS Codirecteur : Yannic Ethier - ÉTS L’utilisation de MR dans la réfection des chaussées étant écologiquement et économiquement préférable, il n’est pas à douter que de plus en plus de routes seront rénovées avec des enrobés bitumineux recyclés et notamment, à froid. Cependant, très peu de littérature ne fait état du comportement de ces matériaux en jeune âge. Une évaluation du comportement de ces EB, dont les caractéristiques en jeune âge peuvent rendre difficile l’analyse par les tests classiques couramment utilisés, est donc importante. Des techniques non destructives existent, notamment celles utilisant la propagation d’ondes mécaniques. Utilisées pour ausculter les bétons hydrauliques ou bien afin d’évaluer le comportement des sols, ces méthodes ont trouvé leur place et ont démontré leur efficacité. Fort de ce constat, ces procédés ont été importés dans le domaine des chaussées et des expériences ont déjà été menées sur des enrobés à chaud. L’étude se propose de déterminer si la méthode d’analyse d’ondes mécaniques de cisaillement générées par des anneaux piézoélectriques peut être utilisée dans l’étude des enrobés bitumineux recyclés à froid de type MR-7 traités à l’émulsion de bitume. L’eau représentant au moins 10% du volume de l’EB lors de l’élaboration de celui-ci, l’utilisation d’ondes de cisaillement est préconisée. Du fait de l’incompressibilité de l’eau et car les ondes de cisaillement ne se propageront que dans les granulats et le bitume, cela permettrait de ne caractériser que ces 2 derniers. Enfin, la rapidité de la mesure et l’absence d’un volumineux matériel d’analyse permettent de réaliser des tests dès la compaction de l’EB. La méthode met en évidence un lien fort entre la disparition de l’eau au sein du mélange et l’évolution de la vitesse de propagation de l’onde de cisaillement au sein du matériau.

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Outil de Prédiction de l’Évolution du Comportement des Chaussées (OPECC) Emmanuel Dion, maîtrise ÉTS Emmanuel Dion mr.emmanueldion@gmail.com Directeur : Daniel Perraton - ÉTS Codirecteur : Alan Carter – ÉTS

L’outil de prédiction OPECC a été élaboré dans la carde d’une thèse doctorale pour l’ingénieur professionnel, en vue de favoriser une assimilation des principes propres à une approche mécanistique-empirique de dimensionnement. L’une des particularités intéressantes d’OPECC est la prise en compte des propriétés thermomécaniques des enrobés dans le calcul de l’évolution potentielle des performances. Les performances analysées sont l'orniérage et la fissuration par fatigue des matériaux bitumineux à l'échelle de la chaussée. La structure de chaussée à modéliser peut-être constituée d’un maximum de 9 couches distinctes, incluant : 1 couche de sol support, 4 couches de matériaux granulaires et 4 couchent de matériaux bitumineux. Les matériaux sont considérés comme étant homogènes, isotropes et élastiques. Pour prendre en compte le caractère viscoélastique de l’enrobé, OPECC évalue la variation des propriétés mécaniques de l’enrobé. Ces variations sont des fonctions qui dépendent de la thermosusceptibilité de l’enrobé et de la fréquence de chargement. Pour ce faire, OPECC divise la période d’analyse (P de 1 à 50 ans) en période récurrente (Pr) égale à un an. Pour chacune des Pr l’évolution de la température est la même dépendamment du choix de l’utilisateur et l’évolution du chargement (ÉCAS) est considérée constante. L’ECAS est ensuite actualisé pour chaque Pr subséquentes pour prendre en compte l’incrémentation du nombre d’ÉCAS annuel. Étant donné que la température évolue au cours de cette période OPECC subdivise la Pr en intervalle de calcul (Ic =12 un par mois; Ic= 52 un par semaine) où la température moyenne pendant cet intervalle est calculée automatiquement. Par la suite, suivant le modèle 2S2P1D, OPECC actualise le module élastique pour chaque Ic et calcule le champ de contraintes-déformations à l’aide du logiciel KENLAYER fondé sur une approche multicouche élastique semblable à celle proposée par Burmister. Par la suite, OPECC comptabilise les dégradations pour chaque Ic et présente l’évolution potentielle des performances à l’orniérage et à la fissuration par fatigue sur toute la période d’analyse.

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i3C-me : Interface de Calcul pour la Conception des Chaussées Damien Grellet, doctorat UL i3c-me@gci.ulaval.ca Directeur: Guy Doré - UL

Le logiciel i3C-me, développé dans le cadre des activités de la Chaire i3C à l’Université Laval, est un nouvel outil de dimensionnement des chaussées flexibles mécaniste-empirique bien adapté aux conditions d’exploitation, tant rurales que municipales, propres au Québec. Il est fourni sous forme d’un exécutable programmé en VisualBasic. Il comporte 6 principaux modules : 1. Objectifs de conception; 2. Définition de la charge; 3. Choix des données climatiques; 4. Définition de la structure de chaussée; 5. Choix des modèles de performance; 6. Calcul des effets du gel. Le logiciel offre à l’utilisateur plusieurs choix de méthodes d’estimation et d’analyse de niveaux de complexité et de précision variable. La conception peut donc être adaptée en fonction de l’importance du projet, de l’information disponible et des préférences du concepteur. Par exemple, pour déterminer les propriétés mécaniques des matériaux de la chaussée, l’utilisateur peut choisir d’utiliser les valeurs de modules par défaut, d’estimer les modules à partir de résultats d’essais CBR, DCP ou LWD, ou d’utiliser des paramètres de modèles avancés (Huet-Sayegh, Witczak, Uzan) obtenus lors d’essais sur matériaux. Le logiciel effectue un calcul d’endommagement saisonnier, basé sur la loi de Miner, en divisant l’année sur 5 saisons, soit l’été, l’automne, l’hiver, le début du dégel et la fin du dégel. L’utilisateur doit entrer la durée de chacune des saisons et fournir la température moyenne de l’air ou de l’enrobé correspondante pour la période identifiée. L’utilisateur a aussi accès à une bibliothèque de stations climatiques et le logiciel permet de calculer les périodes et températures pertinentes. Plusieurs types de véhicules peuvent être considérés, incluant, entre autres, les autobus urbains standards et articulés. Plusieurs choix sont offerts à l’utilisateur pour convertir l’information sur les véhicules et sur le trafic en équivalents de charge axiale simple (ÉCAS), utilisé comme entrée dans l’utilitaire de calcul mécaniste. Au niveau des lois d’endommagement, l’utilisateur a le choix entre plusieurs modèles existant qui sont intégrés au logiciel. Un outil de calcul sur l’effet du gel, développé par le Ministère des Transports a également été ajouté au logiciel de la Chaire i3C. Il permet de calculer l’évolution de la profondeur de gel et le soulèvement au gel à l’aide des données de température provenant des stations climatiques et des propriétés des matériaux. Dans tous les cas, l’utilisateur peut choisir d’utiliser des valeurs par défauts ou d’entrer des valeurs estimées ou mesurées par différents essais. Les critères de soulèvements admissibles typiques pour chaque catégorie de route sont intégrés afin de guider l’utilisateur dans l’optimisation de la structure.

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Projets non présentés au colloque

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Conception Mécaniste-Empirique des chaussées non revêtues Mickaël Le Vern, maîtrise UL mickael.le-vern.1@ulaval.ca Directeur: Guy Doré - UL Dans le contexte où les routes à faible volume de circulation sont susceptibles de subir des charges importantes, le développement d’une méthode rigoureuse pour la conception de ces chaussées basée sur des principes mécanistes-empiriques et sur le comportement mécanique des sols support est souhaitable et constitue l’objectif de ce projet. La conception mécaniste combinée à des lois d’endommagement permettra l’optimisation des structures de chaussées à faible volume ainsi que la réduction des coûts de construction et d’entretien. Les objectifs spécifiques suivant permettront de réaliser le projet : • Mise au point d’un code de calcul pour la détermination des contraintes et des

déformations dans la chaussée. • Développement de lois d’endommagement empiriques. • Intégration des méthodes de calcul dans un outil de conception pratique (logiciel ou

autre) En premier lieu, le projet comportera un aspect sur le développement d’un code de calcul pour la modélisation des couches de chaussée en systèmes élastiques bi-couches. La modélisation sera faite en utilisant la transformation d’Odemark et les équations de Boussinesq pour le calcul des contraintes et déformations sous la charge. Par la suite, des fonctions de transfert empiriques (lois d’endommagement) adaptées aux routes à faible volume seront élaborées. Le développement des fonctions de transfert se fera en deux étapes, soit l’établissement de valeurs seuil d’orniérage et le développement de critères de déformation admissible. Des essais sur une chaussée typique reconstituée dans la fosse d’un simulateur et soumise au chargement répété par simulateur de charge seront aussi effectués. La chaussée sera instrumentée pour mesurer les déformations aux niveaux critiques de la chaussée et le taux d’endommagement sera mesuré en fonction du nombre d’applications de charge. Finalement, des essais seront également effectués au Site Expérimental Routier de l’Université Laval pour documenter les avantages de la mise en place d’un revêtement mince sur une route à faible volume, notamment en ce qui a trait au comportement mécanique de la chaussée et aux infiltrations d’eau.

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Development of a methodology for the design of low-impact drainage systems along transportation infrastructure in permafrost environments Julie Malenfant Lepage, doctorat UL Julie.malenfant-lepage.1@ulaval.ca Directeur : Guy Doré - UL One of the main causes of embankment degradation in northern Canada is the heat transferred by surface runoff and groundwater under the transportation infrastructures. Observations of events causing the rapid degradation of northern infrastructure (i.e. airstrips, roads and building foundations) suggest that liquid water transport and its effects have been significantly underestimated in recent years in permafrost hydrology and engineering (ADAPT, 2012). These problems are likely to reduce structural and functional capacity of the road and even lead to embankment failure in some cases. It is therefore important to study and understand the influence of water on transportation infrastructures and to develop new engineering practices relating to water management. The research project intends to develop practical methods to calculate the quantity of heat transferred through convective surface and sub-surface water flows in the design of a drainage system. In particular, a method to assess the maximum quantity of water that can be concentrated in one channel (i.e. ditch and culvert) in order to control heat transfer to permafrost and to limit soil erosion. The approach will lead to the optimal number of crossings (culvert) to consider for a given structure, the thermal design of these crossings as well as the need and the design of an appropriate flow diffusion system downstream from the structure. In order to do this, the objectives to achieve are the following: 1) Improve the knowledge of surface water and groundwater flow and its influence on the performance of embankments built on a thaw-sensitive permafrost; 2) Develop new strategies for construction and maintenance to mitigate the problems of permafrost degradation resulting from water flow; 3) Develop a geophysical method that will enable the detection of groundwater flow under the road networks and; 4) Conduct a feasibility study and cost-benefit analysis of new techniques developed. The project also involves soil temperature profile logging as a function of water flow, heat flux measurements, thermal modelling and small scale laboratory testing. Electrical resistivity and soil temperature surveys were undertaken in 2014 along a stream draining a small watershed south of the airport of Ilulissat in Greenland. Field work will be also be done in 2015 and 2016 along the Salluit access road north of Quebec and along the Alaska Highway in the Yukon.

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Développement de lois d’endommagement (détérioration) de chaussées sous l’effet du trafic et du climat. Youdjari Djonkamla, doctorat UL djonkamla.youdjari.1@ulaval.ca Directeur : Guy Doré - UL Dans le domaine de la gestion des chaussées, la maîtrise de la performance est l’axe où les grands défis sont à relevés, notamment la modélisation de l’évolution des endommagements. Or les modèles qui sont employés de nos jours pour la gestion et la conception des chaussées comporte une importante part d’empirisme qui peut se justifier considérant les hypothèses, les simplifications, et les erreurs dans la caractérisation de plusieurs facteurs des processus de dégradation. Le Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (MEPDG) développé dans le cadre du projet NCHRP 1-37A (2004) propose une approche mécaniste-empirique détaillée pour la conception des structures de chaussées. Cette méthode emploie des lois d’évolution qui doivent être calibrées dans chaque environnement d’exploitation. L’application de ces modèles dans des contextes climatiques sévères comme celles qui prévalent au Québec, comporte cependant certaines limitations. Dans le contexte Canadien, la prise en compte des facteurs climatiques est essentielle comme en témoigne le rapport de la commission royale sur le transport des personnes (1992) qui établit que les facteurs environnementaux sont responsables de la plus grande partie (50% à 80%) des dommages subis par les chaussées. Un projet visant le développement et/ou la validation de lois d’endommagement pour les chaussées souples dans le contexte Québécois a été entrepris dans le cadre du programme de la chaire de recherche industrielle du CRSNG sur l’interaction charges-lourdes – climat – chaussées. La revue des connaissances que nous avons faite révèle que les modèles d’uni existants sont faits, pour la plupart, sur la base de la pure statistique et n’intègrent pas forcement toutes les variables pertinentes pour diverses raisons. La variabilité spatiale de la surface de la chaussée, qui est la clé du mécanisme de dégradation de l’uni, n’est nullement mise en évidence dans la forme mathématique des modèles existants. Cela signifie que le principe physique du phénomène n’est pas suffisamment considéré lors de la dérivation des fonctions caractérisant l’uni. Par conséquent, les modèles existants ne sont qu’essentiellement empiriques. Ces modèles empiriques ne peuvent être utilisés hors de l’environnement dans lequel ils ont été développés et la calibration efficace de ceux-ci n’est pas toujours possible. Le développement d’un modèle de prédiction d’uni calé sur ces principes est donc actuellement en cours.

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Application d’une pression de confinement durant l’essai de module complexe sur un MR5 Julien N. Kagabo, maîtrise ÉTS ntaganda-julien.kagabo.1@ens.etsmtl.ca Directeur : Alan Carter - ÉTS

La remise en état des infrastructures de transport, les chaussées flexibles en l’occurrence, est une pratique courante. C’est un prérequis pour préserver le confort au roulement des usagers et/ou assurer l’intégrité structurale et les critères de sécurité prescrits par les normes de conception. Au Québec, le retraitement en place et à froid (RP) est une technique de réhabilitation connue et utilisée depuis plus de 20 ans. Elle a l’avantage d’être moins énergivore, écoresponsable et économiquement profitable. L’expérience révèle que le RP permet de limiter l’apparition des fissures réfléchies et est conforme aux critères d’orniérage établi par le Ministère des Transports du Québec (MTQ). Cependant, en dépit de ses mérites, il n’en demeure pas moins que les matériaux retraités en place et à froid (MR) ne sont pas adéquatement caractérisés, du point de vue de leur comportement mécanique. Les MR sont des matériaux qui ont un comportement viscoélastique, mais qui, à jeune âge, se comporte plus comme un matériau granulaire que comme un matériau bitumineux. Dans ce sens, la rhéologie des MR fait l’objet d’une étude approfondie. Plus spécifiquement, le module complexe, avec et sans pression de confinement, d’un MR5 à base d’émulsion de bitume est investigué.

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Impact de l'utilisation de régénérants sur les émulsions de bitume

Fahd Ben Salem, maîtrise ÉTS fahdbensalemcivil@gmail.com Directeur : Alan Carter - ÉTS Codirecteur : Daniel Perraton - ÉTS Devant la consommation excessive et la diminution des ressources naturelles comme le bitume et les granulats, le recyclage des chaussées devient une chose indispensable. Durant sa période de vie, l'enrobé bitumineux subit plusieurs changements qui influent directement sur les performances mécaniques des chaussées et cause des fissures longitudinales et transversales au niveau de la surface, l'orniérage et la fatigue de structure routière. Un des facteurs influençant les enrobés est le vieillissement. Le vieillissement se génère sous l'effet des plusieurs facteurs comme la volatilisation, les rayons UV, les variations importantes des températures et surtout l’oxydation. Ces phénomènes provoquent plusieurs changements au niveau de la structure chimique de bitume qui est composée principalement par deux entités: les maltées et les asphaltènes, et il y a formation des nouvelles molécules. Cela va causer la fragilisation et le durcissement des enrobés. Un autre phénomène important qui accélère le vieillissement des enrobés, la volatilisation, c'est l'évaporation des particules fines lors de la phase de fabrication et la mise en place des enrobés à chaud sous l'effet de la grande température. Plusieurs recherches ont été faites pour comprendre et par la suite résoudre le problème de vieillissement des bitumes afin d'améliorer les performances des enrobés recyclés et d'augmenter le pourcentage du RAP dans la fabrication des chaussées en utilisant le bitume existant (vieilli). L'ajout d'un agent régénérant paraît une méthode intéressante pour réactiver le bitume vieilli et remplacer les particules perdues, ce qui va diminuer la viscosité du bitume et améliore les performances de l'enrobé . Le projet comportera d'abord une revue de la littérature sur les émulsions de bitume, sur le vieillissement des bitumes et sur les régénérants. Ensuite, un programme de recherche en laboratoire sera effectué. le programme comporte différentes phases: - Vieillissement artificiel des bitumes en émulsions et caractérisations des émulsions; - Fabrication et caractérisation d'enrobés à froid avec de l'émulsion vieillie et non vieillie; - Caractérisation d'émulsions et d'enrobés à froid avec régénérants.

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Caractérisation des bassins de déflexion mesures au déflectomètre à masse tombante Sènakpon Gillis Kpossou, maîtrise ÉTS senakpon-gillis.kpossou.1@ens.etsmtl.ca Directeur : Alan Carter - ÉTS Codirecteur : Michel Vaillancourt - ÉTS

L’évaluation de la performance des chaussées est d’une importance capitale pour prévenir les dégradations ou à défaut les diagnostiquer très tôt afin de faire des interventions assez promptes. En général, les dégradations majeures affectant une route sont celles qui touchent à la structure même de la chaussée. Il est donc important de recourir aux essais permettant de déterminer la résistance de ces structures, notamment vis-à-vis des gros porteurs qui transmettent de grandes sollicitations à la structure de la chaussée. Un des appareils de caractérisation de ces problèmes de chaussée est le déflectomètre à masse tombante (FWD). Il s’agit en effet d’un appareil d’essai non destructif dont le but est de reproduire les déformations occasionnées (déflexions) par le passage d’un véhicule poids lourd circulant à 70km/h sur une chaussée. Cependant, l’analyse, l’interprétation et l’exploitation des résultats issus de cet essai ne sont pas encore bien maîtrisés de la part des utilisateurs. Le but du présent projet est donc d’élucider le lecteur sur les caractéristiques techniques du déflectomètre à masse tombante (FWD), sa plage d’utilisation, la procédure d’exécution de l’essai sur les différentes structures de chaussées, mais également de fournir des éléments d’analyse et d’interprétation des données.

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Évaluation de l'impact de la composition chimique du brut sur les caractéristiques du bitume Alexandre Rogeaux, maîtrise ÉTS alexandre.rogeaux.1@ens.etsmtl.ca Directeur : Alan Carter - ÉTS Codirecteur : Daniel Perraton - ÉTS

Les bitumes sont caractérisés selon leur grade de performance. Cette caractéristique correspond à l’intervalle thermique à l’intérieur duquel le bitume est susceptible d’être employé. Celle-ci est basée sur la performance du bitume déterminée lors d’essais, et non sur la composition chimique du bitume. Le bitume provient d’une source naturelle, nommée « Brut » d’origine pétrolière. La composition chimique exacte du bitume dépend de la complexité chimique du pétrole brut et du procédé de fabrication utilisé. Comme le pétrole brut diffère d'un champ pétrolifère à l'autre, il n'y a pas deux bitumes qui soient chimiquement identiques. Cette variation de composition chimique influe sur les caractéristiques mécaniques et rhéologiques du bitume, et ceci n'est pas pris en compte actuellement. L’objectif du présent programme de recherche est d’évaluer l'impact de la composition chimique du brut sur les caractéristiques mécaniques et rhéologiques du bitume, ceci dans le but d’appréhender l’influence du choix du brut sur la formulation des enrobés et les caractéristiques des bitumes. La caractérisation chimique de plusieurs bruts sera dans un premier temps effectuée, afin de constituer une base de données qui permettra de corréler la composition chimique des bruts et les caractéristiques mécaniques des bitumes issus de ses bruts. Ensuite, les bitumes produits grâce aux bruts étudiés précédemment seront caractérisés rhéologiquement. Cela va permettre de relier la composition chimique du brut aux caractéristiques du bitume. Ensuite, on viendra caractériser mécaniquement les bitumes en réalisant des essais de module complexe en cisaillement à partir du rhéomètre dynamique aux températures moyennes et élevées. Afin de travailler dans des conditions de basses températures, il est également prévu de produire des essais à l’aide d’un rhéomètre à flexion de poutre sur les bitumes. De plus, une étude sur le vieillissement du bitume et sur l'interaction entre le bitume et les polymères incorporés dans celui-ci sera effectuée.

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Complex Modulus and Fatigue Behaviour of Recycled Hot Mixes Asphalt: Laboratory Investigation and Modelling at the Material Levels Asmaa Basueny, doctorat ÉTS asmaaazm1@yahoo.com Directeur : Alan Carter - ÉTS Codirecteur : Daniel Perraton - ÉTS

The use of reclaimed asphalt pavement (RAP) in asphalt mixtures provides the means to recycle the existing roadway and use that material, in a limited amount, in the construction of new pavements. This is an environmentally friendly method to recycle the existing pavement and provide a new pavement surface. Fatigue is considered one of the major distress types occurring in flexible pavement systems. Previous studies have been conducted to understand how fatigue life can occur and be extended under repetitive traffic loading. Several researchers, for the last two decades, have developed some fatigue predictive models that predict the fatigue life of asphalt mixture in the laboratory and even in the field. However, there are no research studies in the area of developing prediction models for mixtures containing RAP. Therefore, a major objective of this study was to improve the basic fatigue model that in the form of Nf = k1 × ε0

−k2 to take into consideration the inclusions of RAP content. Different domains of thermos-mechanical behavior of bituminous mixtures were studied, including the small-strain behavior – complex modulus and fatigue. a total of 11 mix designs, including one type of RAP source (will be combined at four levels 0%, 15%, 25%, and 40% RAP), one type of virgin aggregate, two types of asphalt binders, will be made in two different production methods: RAP added Cold or Hot. These mixtures include samples of aged-RAP which will be blended with new aggregate and new asphalt materials to produce different recycled mixtures. Fatigue predicted models were improved with considering the inclusion of added RAP up to 25% and up to 40% using the phenomenological approach and presented in verification of the two failure criteria. Those models provide prediction of the fatigue life of the recycled mixtures throughout the results of fatigue tests of the mixture containing no RAP.

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Formulation d’enrobés bitumineux contenant du verre recyclé Alexandre Bachand, maîtrise ÉTS alexandre.t-bachand.1@ens.etsmtl.ca Directeur : Michel Vaillancourt - ÉTS Codirecteur : Daniel Perraton – ÉTS Le projet auquel je m’adonnerai au cours des prochains mois porte sur la formulation d’enrobés bitumineux avec ajout de verre recyclé. Lors de la récupération du verre, celui-ci peut se briser et se mélanger avec d’autres types de verre, ce problème fait en sorte que ce verre, dit mixte, ne peut être utilisé dans fabrication d’autres produits à cause de son impureté. L’ajout de verre recyclé dans un mélange d’enrobés bitumineux est donc une alternative intéressante pour donner une deuxième vie à ce matériau. Deux types d’enrobés seront traités dans ce projet, soit le type GB-20 ainsi que le type ESG-10. Avec les renseignements acquis suite aux précédentes recherches sur les enrobés avec verre produits à l’ÉTS, les paramètres à vérifier seront, dans un premier temps, la diminution du pourcentage de bitume dans le mélange. Les mélanges seront formés selon la méthode LC du ministère des transports du Québec (MTQ) et les résultats aux essais de presse à cisaillement giratoire (PCG), ainsi que les performances à l’orniérage devront répondre aux standards établis par le MTQ. Suite à la formulation d’un enrobé avec verre qui répond aux exigences, des bancs d’essais seront créés pour analyser le mélange dans des situations réelles.

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Utilisation de panneau de polymère expansé sous les pavés de béton Alexandre Bachand, stagiaire ÉTS alexandre.t-bachand.1@ens.etsmtl.ca Directeur: Michel Vaillancourt – ÉTS Codirecteur : Alan Carter - ÉTS Le projet Gator Base consistait à faire l’étude d’un polymère expansé. L’étude était divisée en deux parties, la première consistait à effectuer des essais dans le but de caractériser le matériau. Ces essais ont permis de déterminer entre autres, la résistance à la flexion et à la compression, la résistance thermique, le comportement à certains produits chimiques ainsi que la densité et la capacité d’absorption du matériau. La deuxième partie consistait à vérifier la possibilité de remplacer une fondation granulaire de 125 mm par les panneaux de polymère dans des structures de pavé de béton utilisé en milieu piétonnier. Pour cette évaluation, deux bancs d’essais ont été mis en place. Le premier avec les panneaux et l’autre avec le 125 mm de pierres concassées. Des essais de charge dynamique ont ensuite été réalisés à l’aide de l’appareil LWD (Light Weight Deflectometer) qui permet d’appliquer une contrainte de chargement et de déterminer un bassin de déplacement. Des essais statiques ont également été produits en appliquant différentes charges sur la planche d’essai pour en déterminer la déformation à l’aide de jauges de déformation à certains points précis. Les résultats ont démontrés de meilleures résistances à la déformation dans le cas de la fondation granulaire. Toutefois, la différence entre les deux modèles était de l’ordre du dixième de millimètre. C’est donc dire que les panneaux de polymère expansé pourraient remplacer une fondation granulaire dans des structures de pavé de béton à usage piétonnier. Des essais en vraie grandeur sont prévus pour cet été. Pour cette partie, les pavés de béton seront installés sur 5 types de sols différents.

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Étude de rhéologie des mastics bitumineux avec verre incorporé à l’aide du Rhéomètre à Cisaillement Annulaire Souleimane El Mansouri, maîtrise ÉTS souleimane.el-mansouri.1@ens.etsmtl.ca Directeur: Michel Vaillancourt – ÉTS Codirecteur : Daniel Perraton – ÉTS Dans le domaine viscoélastique linéaire (à faibles niveaux de déformations), le comportement thermomécanique du bitume et du mastic bitumineux (mélange uniforme de bitume et de fillers) a été caractérisé dans le cadre d’une collaboration entre le Laboratoire des Chaussées et Matériaux Bitumineux (LCMB) de l’École de technologie supérieure (ÉTS) et la Société des alcools du Québec (SAQ). Les propriétés rhéologiques des bitumes et mastics ont été mesurées grâce à un nouvel outil d’investigation appelé Rhéomètre à Cisaillement Annulaire (RCA) sous différentes conditions de chargement. Cet appareil permet non seulement de solliciter des éprouvettes de tailles importantes par rapport à celles utilisées lors des essais classiques, mais aussi d’effectuer des essais homogènes, ce qui permet de donner accès à la loi de comportement des matériaux. Les essais sont réalisés sur une large gamme de température et de fréquence (de -25 °C à 55°C et de 0.03Hz à 10 Hz). Cette étude a été menée principalement pour comparer le comportement d’un bitume avec celui d’un mastic bitumineux dans le domaine des petites déformations. Néanmoins dans une seconde perspective, on s’intéresse à l’influence des fillers de verre de post consommation sur le comportement d’un mastic à faibles niveaux de déformations en comparant l’évolution des modules complexes de cisaillements G* d’un mastic avec fillers de verre et un mastic avec fillers conventionnels (calcaire). Enfin, le modèle analogique 2S2P1D est utilisé pour simuler le comportement viscoélastique linéaire des bitumes et des mastics bitumineux testés lors de la campagne expérimentale.