Upload
lamnhi
View
216
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
ECOLE DE TECHNOLOGIE SUPRIEUR E UNIVERSIT DU QUBEC
MEMOIRE PRSENT L'COLE DE TECHNOLOGIE SUPRIEUR E
COMME EXIGENCE PARTIELL E L'OBTENTION D E LA
MATRISE EN GNIE DE LA CONSTRUCTION M.Ing.
PAR KEVIN BILODEAU
PRDICTION D E LA DEFORMATION PERMANENT E SELON LA METHODOLOGI E ESSO : DTERMINATION DE S PARAMTRES POU R DES ENROBS BITUMINEU X
QUBCOIS
MONTRAL, LE 23 SEPTEMBRE 2008
Kevin Bilodeau, 2008
CE MMOIRE A T VALUE
PAR UN JURY COMPOS DE :
M. Daniel Perraton, directeur de mmoire Dpartement de gnie de la construction l'cole de technologie suprieur e
Mme Marie-Jos Noilet , prsidente du jury Dpartement de gnie de la construction l'cole de technologie suprieur e
M. Alan Carter, membre du jury Dpartement de gnie de la construction l'cole de technologie suprieur e
IL A FAIT L'OBJET D'UN E SOUTENANCE DEVAN T JURY ET PUBLIC
LE 12 SEPTEMBRE 2008
L'COLE D E TECHNOLOGIE SUPRIEUR E
PRDICTION DE LA DFORMATION PERMANENTE SELON LA MTHODOLOGIE ESSO : DTERMINATION DE S PARAMTRES POUR DES ENROBS BITUMINEU X
QUBCOIS
Kevin Bilodeau
SOMMAIRE
Au Qubec , l e rsea u routie r es t principalemen t con u d e chausse s souples , soi t un e fondation granulair e revtu e d'enrob bitumineux . Plusieur s dfaut s d e surfac e son t apparents sur les chausses souples. L'ornirag e es t un dfaut de surface trs prsent au Qubec. C e mmoire , traitera d e l a dformation permanent e de s enrobs bitumineux , u n mcanisme qui affecte l'ornirage . L'objectif principa l es t d'tabli r l a lo i d e dformatio n permanent e d e deu x enrob s bitumineux commun s d u Qubec selo n l a mthodologie ESSO . Le s deux enrob s utilis s sont u n enrob semi-gren u ESG-1 0 qu i ser t gnralemen t d e couch e d e roulemen t au x vhicules et , u n enrob bitumineu x EB-1 4 servan t d e couch e d e bas e l a couch e d e roulement. L'essai utilis pou r caractrise r le s enrob s l a lo i d e dformatio n permanent e d e l a mthodologie ESS O es t u n essa i triaxial . C'es t u n essa i d e compressio n cycliqu e sou s chargement axia l rpt d e form e sinusodal e ave c e t san s pressio n d e confinemen t latral. L a variatio n de s condition s d'essa i te l l a contraint e verticale , l e confinement , l a frquence e t l a temprature permettron t d'tabli r le s paramtre s d e l a lo i de dformatio n permanente. Le produi t de cette recherch e es t l'obtentio n d e l a lo i de dformation permanent e pou r les enrobs ESG-1 0 e t EB-14 . L a loi permettra l a prdiction de l'ornirage pou r un e structur e de chausse souple donne suivant la mthodologie ESS O de prdiction de l'ornirage .
Mots-cls : Enrob bitumineux, dformation permanente , ornirage, loi de dformation, mthodologie ESSO , triaxial, compression cyclique
PREDICTION OF THE PERMANENT DEFORMATION ACCORDING TO ESSO METHODOLOGY: DETERMINATION OF THE PARAMETERS FOR THE ASPHALT
CONTRETES OF QUEBEC
Kevin Bilodeau
ABSTRACT
Quebec's roa d networ k i s primaril y designe d wit h flexibl e pavement s tha t consis t o f a granular foundatio n surface d wit h asphal t concrte . Severa l surfac e defect s ar e apparen t on flexibl e pavements . Ruttin g i s on e o f the m an d i s frequentl y observe d o n Quebec' s pavement. Thi s maste r wil l addres s th e permanen t dformatio n o f th e asphalt, a mechanism that increases rutting. The mai n objectiv e i s to establis h a permanen t dformatio n la w fo r tw o asphal t material s used i n Qubec using the ESS O methodology . Th e mixture s use d are one dense grade d asphalt mix : ESG-1 0 use d a s surfac e laye r an d on e coars e grade d asphal t mix : EB-1 4 used as base layer . The tes t use d t o characteriz e th e permanen t dformatio n la w o f ths e mixture s i s th e ESSO methodology tha t consis t o f a triaxia l test . Thi s i s a compressio n tes t unde r axia l cyclic loadin g repeate d sinusodal form with and without confining pressure . The change i n test condition s suc h as : th e vertica l stress , th e confinement , th e frequenc y an d th e temprature will set the parameters of the permanent dformation law. The resui t o f thi s researc h i s the permanen t dformatio n la w fo r tw o mixe s (ESG-1 0 an d EB-14). This law will enable the prdiction of rutting for a flexible pavement structure usin g the ESSO rutting method.
Keywords: Rutting , Asphalt pavement , bituminou s material , flexible pavement , permanen t dformation law, ESSO methodolog y
REMERCIEMENTS
Cette recherch e a t ralis e a u Laboratoir e universitair e su r le s chausses , route s e t
enrobs bitumineu x (LUCREB ) e t es t un e portio n d'u n proje t d e thse su r l a dformatio n
permanente. J e tien s remercie r l'tablissemen t pou r avoi r fourn i le s quipement s
ncessaires l'avancement d e la recherche.
Je voudrais remercie r mo n supen/iseur de mmoir e Danie l Perrato n pour son soutien , son
aide et son encouragement durant ce projet de recherche. J e suis reconnaissant qu'i l m'ait
transmis so n intr t pou r l a recherch e ains i qu e toute s le s connaissance s acquise s e n
collaborant avec lui dans divers projet de recherche.
Je tien s remercie r principalemen t Mathie u Meunie r pou r so n aid e e t s a collaboratio n
dans ce projet de recherche ainsi que tout le temps qu'il a investi pour l'orienter .
Je remercie tout le personnel du dpartement d e gnie de la construction pou r leur aide et
leur soutien , e n particulie r Messieur s Joh n Lescelleur , Alai n Desjardin s e t Franci s
Bilodeau.
Finalement, je voudrais souligne r l e soutien re u de mes parents , de ma famille e t de mes
amis qui ont t une grande source de motivation tout au long de mes travaux.
TABLE DES MATIRES
Page
INTRODUCTION 1
CHAPITRE 1 REVU E DE LA LITTRATURE 5 1.1 Introduction aux enrobs bitumineux 5 1.2 Thorie de l'ornirage (types d'ornires) 8
1.2.1 Ornires grand rayon 8 1.2.2 Ornires petit rayon 8
1.3 Sollicitations induites par le trafic routier dans les enrobs bitumineux 9 1.3.1 Les tats de contrainte l'aplomb d'une charge simple 9 1.3.2 Charges roulantes et chemins de contraintes 11 1.3.3 Nature des sollicitations mcaniques l'origine des dformations permanentes
dans les enrobs bitumineux 12 1.4 Origine physique des dformations permanentes (dformation rversible et non
rversible) 13 1.4.1 Nature incrmental des dformations irrversibles 13 1.4.2 Rle du bitume et du squelette granulaire dans l'origine des dformations
permanentes 14 1.5 Essais caractrisant la dformation permanente des enrobs bitumineux 15
1.5.1 Les essais de simulation 15 1.5.2 Les essais de caractrisation 18
1.6 Mthodes de prdiction de dformation permanente 22
CHAPITRE 2 DESCRIPTIO N D E LA MTHODOLOGIE ESS O DE PRDICTION DE LA DFORMATION PERMANENT E 2 5
2.1 Introduction 25 2.1.1 Description gnrale de la mthodologie 26 2.1.2 Description dtaille 26 2.1.3 Loi de dformation permanente 28
2.2 Dtermination des paramtres A, B, C. D et F 30 2.2.1 Dfinir l'effet des contraintes (A, BetC) 30 2.2.2 Dfinir l'effet de la temprature (D) 30 2.2.3 Dfinir l'effet de la frquence (F) 31
2.3 Calcul de l'ornirage pour un tronon routier 31 2.3.1 Relation gnrale de dformation permanente 31 2.3.2 Calcul de l'ornirage 32 2.3.3 Calcul de la dformation permanente en fonction de l'paisseur des couches 33 2.3.4 Calcul de la dformation au cours d'une journe 36
2.4 La loi gnrale s de la dformation permanente 40 2.5 Effet des conditions d'essais sur la loi de dformation permanente de la mthodologie
ESSO 41 2.5.1 Effet du confinement (OH) sur la loi de dformation permanente de la
mthodologie ESSO 41 2.5.2 Effet de la temprature (T) sur la loi de dformation permanente de la
mthodologie ESSO 43 2.5.3 Effet de la frquence (fj sur la loi de dformation permanente de la
mthodologie ESSO 45
CHAPITRE 3 CAMPAGNE EXPRIMENTALE 4 8 3.1 Programme d'essai 48 3.2 Essai de dformation permanente (compression cyclique) 48
3.2.1 Procdure exprimentale 50 3.2.2 Traitement des fichiers bruts 51 3.2.3 Les paramtres ESSO 56 3.2.4 Prsentation des rsultats 58
CHAPITRE 4 DESCRIPTIO N DE S MATRIAUX UTILISS , DES PROCDURE S D'ESSAIS E T DE PRPARATION DE S PROUVETTES 6 0
4.1 Matriaux utiliss 60 4.1.1 Gros granulats (particules dont la dimension est suprieure 5 millimtres) 61 4.1.2 Granulats fins (particules dont la dimension moyenne est infrieure 5
millimtres) 62 4.1.3 Bitume 63
4.2 Formulation des enrobs utiliss 63 4.2.1 Confection des prouvettes 65 4.2.2 Caractristiques des prouvettes 68
CHAPITRE 5 RSULTAT S DES ESSAIS DE DFORMATION PERMANENT E 7 2 5.1 Courbes d'essais regroupes selon la frquence et la contrainte verticale 72 5.2 Synthse des rsultats 76
CHAPITRE 6 ANALYSE DES RSULTATS 7 8 6.1 Calcul des constantes A, B. C D et F de la loi d'ESSO pour l'enrob ESG-10 78 6.2 Calcul des constantes A, B, C, D et F de la loi d'ESSO pour l'enrob EB-14 95 6.3 Indpendance des constantes B, D et F 97
6.3.1 Indpendance de la constante B 98 6.3.2 Indpendance de la constante D 101 6.3.3 Indpendance de la constante F 70 2
6.4 Simulation de calcul esur e ^^^sus eaicuie 103 6.4.1 Indice de qualit :I0 104 6f-2 ttj^esure ^^''s^s les diffrents i^^^^^^^e 104
6.4.3 Comparaison des indices de qualit 107
CONCLUSION 11 4
RECOMMANDATIONS 11 6
ANNEXE I MTHOD E DES MOINDRES CARRS D'APPROXIMATION 11 8
ANNEXE I I MTHOD E INTGRAL E D'APPROXIMATION 12 0
ANNEXE II I MTHOD E D'CHANTILLONNAGE D E MASSE D'ENROB S
BITUMINEUX L'USINE D'ENROBAG E 12 4
ANNEXE IV ATTESTATIO N D E CONFORMIT D U BITUME 12 6
ANNEXE V COURBE S DES RSULTATS OBTENUS POUR LENROB ESG-10 ET TABLEAU DE RSULTATS POUR TOUS LES ESSAIS 12 8
VI
ANNEXE VI COURBE S DES RSULTATS OBTENUS POUR LENROB EB-1 4 ET
TABLEAU D E RSULTATS POUR TOUS LES ESSAIS 13 3
ANNEXE VII DTAI L DU CALCUL DES CONSTANTES D E LENROB EB-1 4 13 8
BIBLIOGRAPHIE 14 9
LISTE DES TABLEAUX
Page
Tableau 1. 1 Rpartitio n du rseau routier qubcois 1
Tableau 1.2 Modle s couramment utilis s pour dcrire le comportement
l'ornirage d e type fluage des enrobs 2 3
Tableau 3.1 Condition s d'essais pou r chaque enrob test 4 9
Tableau 4.1 Caractristique s des gros granulats utiliss pour la confection des enrobs ESG-10 et EB-14 6 2
Tableau 4.2 Caractristique s des granulats fins utiliss pour la confection des enrobs ESG-10 et EB-14 6 3
Tableau 4.3 Formulatio n des enrobs ESG-10 et EB-14 6 5 Tableau 4.5 Date s de compaction et dates de carottage des prouvettes
d'enrobs EB-1 4 et ESG-10 6 8 Tableau 4.6 Caractristique s physique s et dates de l'essai des prouvettes
d'enrobs EB-1 4 7 0 Tableau 4.7 Caractristique s physiques et dates de l'essai des prouvettes
d'enrobs ESG-1 0 7 1
Tableau 5.1 Synths e des rsultats aux essais de dformation permanent e pour l'enrob ESG-1 0 7 6
Tableau 5.2 Synths e des rsultats aux essais de dformation permanent e pour l'enrob EB-1 4 7 7
Tableau 6.1 Synths e des constantes calcules (A et B) de l'enrob ESG-1 0 avec les constantes correspondantes calcules par Aussedat 8 0
Tableau 6.2 Synths e des constantes calcules (A, B et C) de l'enrob ESG-1 0 avec les constantes correspondantes calcules par Aussedat 8 2
Tableau 6.3 Synths e des constantes D calcules selon la frquence pour l'enrob ESG-1 0 8 7
Tableau 6.4 Synths e des constantes (A , B, C et D) de l'enrob ESG-1 0 e t celles obtenues par Aussedat 8 8
Tableau 6.5 Synths e des constantes F calcules selon la temprature pou r l'enrob ESG-1 0 9 4
Tableau 6.6 Synths e des constantes calcules pour l'enrob ESG-1 0 9 5
Tableau 6. 7
Tableau 6.8
Tableau 6.9
Tableau 6.1 0
Tableau 6.11
Tableau 6.12
Tableau 6.13
Tableau 6.14
Tableau 6.15
Tableau 6.16
Synthse des constantes calcules pour l'enrob ESG-10 et EB-14 9 7
Synthse des constantes B utilises pour l'indpendanc e de s constantes 9 8
Fonctions de correction des constantes D utilises pour les enrobs ESG-10 et EB-14 10 2
Fonctions de correction de la constante F pour les deux enrobs tests 10 3
Pente ^ mesur e et calcule partir des lois de dformation permanente correspondantes de l'enrob ESG-1 0 10 5
Pente ^ mesur e et calcule partir des lois de dformation permanente correspondantes de l'enrob EB-1 4 10 6
Constantes de chaque lo i utilise dans le calcul des indices de qualit 10 7
Pente ^ mesur e et calcule partir des lois de dformation permanente correspondantes de l'enrob ESG-1 0 10 8
Pente ^ mesur e et calcule partir des lois de dformation permanente correspondantes de l'enrob EB-1 4 10 9
Synthse des constantes priori et optimise des enrobs ESG-10 et EB-14 ainsi que celles d'Aussedat 11 3
LISTE DES FIGURES
Page
Figure 1. 1 Classe s de comportement du bitume en fonction d e la dformation et de la temprature 6
Figure 1.2 Courbe s isothermes de la norme du module en fonction de la frquence et la courbe matresse approxime par le modle 2S2P1D 7
Figure 1.3 Regroupemen t des trois types d'ornirage pou r les chausses souples 9
Figure 1.4 Illustratio n des tats de contraintes dans les couches bitumineuse s d'une chausse, l'aplomb d'une roue simple 1 0
Figure 1. 5 Chemi n de contraintes diffrentes profondeur s dans une chausse en bton bitumineux 1 2
Figure 1.6 Princip e des essais triaxiaux chargement rpt sur graves non
traites. Exempl e de rsultats pour q/p=2 1 5
Figure 1.7 Le s simulateurs les plus connus 1 6
Figure 1.8 Mang e de fatigue et diffrentes configurations de la charge 1 8
Figure 1. 9 Dformatio n en fonction du nombre de cycles avec le s trois
phases de la dformation permanente 2 1
Figure 2.1 Courb e Ep de dformation permanente sous chargements cycliques 2 8
Figure 2.2 Contraintes , temprature et taux de dformation permanent e types dans la couche 2 d'enrob bitumineu x 3 3
Figure 2.3 Variatio n de la temprature moyenne d e la couche 2 d'un enrob bitumineux au cours d'une journe 3 5
Figure 2.4 Variatio n du taux d'ornire de la couche 2 d'enrob bitumineu x
au cours d'une journe 3 5
Figure 2.5 Dtai l du cumul de l'ornirage parti e A 3 8
Figure 2.6 Dtai l du cumul de l'ornirage parti e B 3 8
Figure 2.7 Pent e de la dformation en fonction de Oy 4 0
XIII
Figure 2.8 Pent e de la dformation en fonction de Ov pour trois OH diffrents 4 2
Figure 2.9 Courb e de a'' " en fonction de A O H 4 2 0
Figure 2.10 Courb e de ce n fonction de Ov pour troi s tempratures diffrentes 4 4
Figure 2.11 Courb e de a^ ^ e n fonction du A de temprature 4 5
Figure 2.12 Courb e de ce n fonction de Ov pour troi s frquences diffrentes 4 6
Figure 2.13 Courb e de a' ' a en fonction de la frquence 4 6
Figure 3.1 Schmatisatio n des prouvettes pou r l'essai de compression cyclique et localisation des extensomtres 5 1
Figure 3.2 Diffrent s cas de chargement attendu lors de l'application d u signal de contrainte imposer 5 2
Figure 3.3 Exempl e de signal discret de la contrainte avec son approximation par un signal continue 5 3
Figure 3.4 Exempl e de donnes de dformation sur deu x cycles pour un essai type 5 5
Figure 3.5 Exempl e de donnes de P N pour un essai donn 5 7
Figure 3.6 Exempl e de donnes de la relation de la dformation moyenn e totale initiale PE N et le nombre de cycles pour un essai donn 5 8
Figure 5.1 Courbe s de rsultats aux essais de dformation permanent e pou r l'enrob ESG-1 0 7 4
Figure 5.2 Courbe s de rsultats aux essais de dformation permanente pou r l'enrob EB-1 4 7 5
Figure 6.1 Pent e de la deuxime phase de la dformation permanente en fonction de Ov pour l'enrob ESG-1 0 (OH = 0 , T = 30C et f, = 10Hz) 7 9
Figure 6.2 Pent e de la dformation e n fonction de Ov pour l'enrob ESG-10 pour trois confinements diffrents ( T = 30C ; fr = 10Hz) 8 1
Figure 6.3 Courb e de a^" e n fonction de O H pour l'enrob ESG-1 0 (T = 30C ; f, = 10Hz) 8 1
XIV
Figure 6. 4 Pent e d e l a dformation e n fonction de O v pour troi s temprature s diffrentes (G H = 0 ; fr = 10Hz ; ESG-10 ) 8 3
Figure 6. 5 Courb e d e ao ^ e n fonctio n d e AT (O H = 0 ; fr = 10Hz ; ESG-10 ) 8 4
Figure 6. 6 Pent e d e l a dformation en fonction d e Oy pou r trois temprature s diffrentes (G H = 0 ; fr = 5Hz; ESG-10 ) 8 5
Figure 6. 7 Courb e d e a^ ^ e n fonction d e AT (G H = 0 ; f = 5Hz; ESG-10 ) 8 5
Figure 6. 8 Pent e de l a dformation en fonction d e Oy pou r troi s temprature s diffrentes (G H = 0 ; ^ = 1Hz ; ESG-10 ) 8 6
Figure 6. 9 Courb e d e ao ^ e n fonction d e AT (G H = 0 ; fr = 1Hz ; ESG-10) 8 7
Figure 6.1 0 Pent e de l a dformation en fonction d e Oy pour trois frquence s diffrentes (G H = 0 , T = 30C; ESG-10 ) 8 9
Figure 6.1 1 Courb e d e a\ e n fonction d e f r (GH = 0 , T = 30C) 9 0
Figure 6.1 2 Pent e d e l a dformation en fonction d e Oy pou r troi s frquence s diffrentes (G H = 0 , T = 40C, ESG-10 ) 9 1
Figure 6.1 3 Courb e d e aj ; e n fonction d e fr(GH = 0 , T = 40C, ESG-10 ) 9 2
Figure 6.1 4 Pent e d e l a dformation ; en fonction d e O v pou r troi s frquence s diffrentes (G H = 0 , T = 50C, ESG-10 ) 9 3
Figure 6.1 5 Courb e d e ag ' e n fonction d e fr(GH = 0 , T = 50C, ESG-10 ) 9 4
Figure 6.1 6 Cheminemen t d u calcu l de s constante s principale s d e l a lo i d e
dformation permanent e d e l'enrob EB-1 4 9 6
Figure 6.1 7 Tendanc e d e B en fonctio n d e l a frquence 9 9
Figure 6.1 8 Tendanc e d e B en fonction d e l a temprature 10 0
Figure 6.1 9 Tendanc e d e D en fonction d e l a frquence 10 1
Figure 6.2 0 Tendanc e d e F en fonction d e l a temprature 10 2
Figure 6.2 1 Comparaiso n de s indice s d e qualit d e chaqu e essa i ralis pou r l'enrob ESG-1 0 11 0
XV
Figure 6.22 Comparaiso n des indices de qualit de chaque essa i ralis pour l'enrob EB-1 4 (tous les essais) 11 1
LISTE DES ABRVIATIONS E T SIGLES
AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officiais
AFNOR Associatio n franaise de normalisation
APA Asphalt Pavement Analyzer
ASTI\/I American Society for Testing and Materials
BNQ Burea u de Normalisation du Qubec
EB Enrob Bitumineu x
CAS quivalen t de Charge Axiale Simple
ESG Enrob Semi-Gren u
FBE Fil m de Bitume Effecti f
FME Fil m de Mastic Effecti f
GB Grav e bitume
GNM Dimensio n d e Grosseu r Nominal e Maximal e qui correspon d a u tami s d e degr suprieu r a u ^^' tamis qu i retien t plu s de 10 % de particules . (A//W/4 S ; Nominal Maximum Aggregate Size - S n : Grosseu r nominal e maximal e d u squelette granulaire )
HDWT Hambur g Wheel Tracking Devic e
LA Lo s Angeles
LC Laboratoir e des Chausses
LCPC Laboratoir e Centra l des Ponts et Chausses
LUCREB Laboratoir e Universitair e sur les Chausses Route s et Enrobs Bitumineu x
MTQ Ministr e des Transports du Qubec
MTS Mechanica l Testing System
N. C.A. T. National Center for Asphalt Technology
NQ Norme s du Qubec
XIII
N/A
N/D
NF
n/m
PCG
PG
SAAQ
TSRST
V.A.M
VBA
V.C.B
WTT
Non applicable
Non disponible
Norme Franais e
Non mesurable
Presse Cisaillement Giratoir e
Grade de performance d'un bitume {"Performance Grade")
Socit de l'assurance automobil e du Qubec
Thermal Stres s Restraine d Specimen t Tes t (tes t d e retrai t thermiqu e empch)
Vides dans les agrgats minraux
Visual basic application
Vides combls par le bitume
Whell tracking tester
LISTE DES SIMBOLES ET UNITS DE MESURE
a
Pa
Erev
permi p
mesur e
AT
AGH
Ov
G H
(P
(Pa
XV
Yeau Mass e volumique de l'eau (kg/m^)
0 Ornirag e
% Pourcentag e
%/Mc Pourcen t par million de cycles
ag Valeu r initial de la loi de puissance du calcul de la constante F
BQ^ Valeu r initial de la loi de puissance du calcul de la constante D
ag" Valeu r initial de la loi de puissance du calcul de la constante C
a Amplitud e du signal de dformation
aa Amplitud e du signal de contrainte
dj coefficien t de translation
A Constant e de la loi de dformation permanente due l'effet d e contrainte
B Constant e de la loi de dformation permanente due l'effet de contrainte
C Constant e de la loi de dformation permanente due l'effet du confinement
cm Centimtr e
cm^ Centimtr e cube
D Constant e de la loi de dformation permanente due la temprature
Db Densit d u bi tum e
Dga Densit apparent e
Dgb Densit brut e d'u n granula t
Dge Densit effectiv e d'u n granula t
Dmb Densit brut e d e l 'enrob compact
Dmm Densit max imal e d'u n enrob
E* Modul e complex e
XVI
El
E2
|E*|
fr
F
g
G
G*
H.R.
Hz
kg
km/h
kN
kPa
mm
Me
MD
Mg
MPa
N
Module complex e parti e rell e
Module complex e parti e imaginair e
Module dynamiqu e (Norm e d u modul e complexe )
Frquence
Constante d e l a lo i de dformatio n permanent e du e la frquenc e
Gramme
Proportion d e gros granula t
Module complex e d e cisaillemen t
Humidit Relativ e
Hertz
Kilogramme
Kilomtre pa r heur e
KiloNewton
KiloPascal
Millimtre
Million de cycle s
Micro-Deval
Mga Gramm e (10^ )
Mga Pasca l
Newton Nombre d e cycle s
Nombre d e passag e d'essieu x
n Nombr e d'chantillo n
N(6%) Nombr e d e cycl e pou r atteindr e 6 % d e dformatio n suivan t l a droit e d e l a deuxime phas e
XVII
ng
Pa
Pb
Pba
Pb,
PH
s
t
T,e
TM
Tg
pm
V
Vbe
Nombre de giration
Pascal
Pourcentage de bitume dans l'enrob
Pourcentage de bitume absorb par les granulats
Pourcentage de bitume initia l dans l'enrob
Potentiel hydrogn e
cart type
Temps
Temprature
Tonne mtrique
Temprature de transition vitreuse
Micromtre
Vitesse
Volume de bitume effecti f
Moyenne
INTRODUCTION
Entre le s annes 196 5 et 1975 , la valeur du parc autoroutier qubcoi s a doubl, passan t
ainsi de 8 milliards $ 1 6 milliards $ . D e 197 7 1995 , la valeur d u rseau est demeur e
stable approximativemen t 1 8 milliard s $ . Ce s valeur s son t actualise s e n dollar s d e
1995. Pr s de la moiti du rseau routier fut construit i l y a environ 40 50 ans.
Le rseau routie r qubcoi s contien t plu s de 18 3 milliers de kilomtre s de diffrents type s
de chausse rparti s selon la classification fonctionnelle dcrit e au Tableau 1.1 . Parm i ces
types d e chausse , i l y a le s chausse s no n revtue s (san s liant) , le s chausse s rigide s
(liant hydraulique), les chausses souples (liant hydrocarbon) et finalement les chausses
mixtes (bton de ciment recouver t d'enrob bitumineux) .
Tableau 1. 1
Rpartition du rseau routier qubcois
Type de routes Autoroutes
Routes nationales Routes rgionales Routes collectrices
Routes locales Rues
Routes d'accs aux entreprises Total
Kilomtres 4 853 9 640 5 597 7 737
40 076 50 000 65 426 183 329
Source : Ce tableau est tir d'un recuei l de donnes statistiques du MTQ, Les transports au Qubec, p. 24. (MTQ 200)
Depuis sa mise en service, divers dfauts de surface se sont dvelopps en particulier sur
les chausse s souples . Parm i ce s dfauts , le s plu s commun s son t l a fissuratio n
longitudinale
et transversale , l'ornirag e e t l a fissuration pa r fatigue . Le s variation s d e temprature, l e
passage d e vhicule s lourd s e t le s condition s climatique s son t le s principale s cause s d e
ces dfauts sur les chausses souples.
Plusieurs chercheur s s e son t pench s su r le s type s d e dfaut s retrouv s dan s le s
chausses. U n problm e tr s frquen t es t l a fissuratio n observ e su r l a chausse . C e
problme es t entr e autre s cr pa r le s cart s d e tempratur e gnran t ains i de s
contraintes dan s le s couche s bitumineuses . Le s cart s d e tempratur e peuven t tr e
journaliers su r l'ensembl e d u rsea u o u diffrentiel s su r un e portio n d u rseau . I l y a
galement de s problme s dan s le s matriau x bitumineu x lorsqu'i l y a de l a fatigue o u de
l'ornirage dan s les couches bitumineuses .
Les condition s climatique s ngoureuse s qu i prvalen t a u Qube c duran t un e ann e
aggravent l'ampleu r de s dfaut s apparent s dan s le s chausses . Le s grand s cart s d e
temprature observ s a u cour s d'un e journ e o u duran t l'ann e renden t encor e plu s
difficile l e maintien du bon tat du rseau routier qubcois.
Ces diffrent s dfaut s son t l e frui t d e l a sollicitatio n induit e pa r l a circulatio n e t le s
variations de temprature. L a temprature est un phnomne incontournable . Pa r contre,
en c e qu i concern e l a circulation, on remarqu e qu e l e nombre d e vhicules su r le s route s
ne cesse d'augmenter. E t contrairement la croyance populaire , de 2000 2003, ce n'est
pas l e nombr e d e camion s (baiss e d e 0, 2 % ) qu i a augment mai s plut R l e nombr e
d'automobiles (augmentatio n d e 5, 5 % ) (SAA Q 2005-1) . L e nombr e d e camion s (mass e
de 4,5 tonnes e t plus) enregistrs au Canada a atteint 660 450 units versus 17, 8 million s
d'units pou r le s voitures ( < 4,5 tonnes ) e n 200 3 comparativemen t 661 446 camion s e t
16,8 million s d e voiture s pou r l'ann e 2000 . Pa r contre , l e kilomtrag e pa r unit montr e
que le s camion s effectuen t a u moin s quatre foi s l a distanc e qu e chaqu e automobil e
effectue annuellement . Cett e dernire donne es t particuliremen t critiqu e sachant que le
passage d'un vhicul e lour d standard (CAS ) es t quivalen t e n terme d'endommagemen t
plus de 40 000 voitures.
Par contre , malgr cett e lgr e baiss e d u nombr e d e camion s su r le s chausses , l e
tonnage vhicul pa r les transporteurs a u Qubec a cr de 15 8 % avec une augmentatio n
des tonnes-kilomtres sensiblemen t du mme ordre (SAAQ 2005-2).
Par ailleurs , i l es t importan t d e note r qu e l e pourcentag e d'accident s reli a u transpor t
routier au Qubec a augment d e 0,8% en 2004 par rappor t 2003 pou r atteindre u n total
de 14 2 877 accidents (56 535 victimes d'accidents) (SAA Q 2005-2).
De plus , l e tau x d'accident s mortel s a galemen t augment d e 3,9 % pou r cett e mm e
priode (tota l de 647 dcs). D e ce nombre, au moins 30% des accidents es t directement
reli au x condition s d e l a chauss e (ornire s e t un i d e surface) . Le s indemnit s e t le s
contributions verse s au x service s d e sant relie s au x accident s d e l a route totalisaient ,
pour l'anne 2004 seulement, un total de 975 645 000 $. (SAAQ 2005-1)
Au Qubec, le rseau routier gr par le Ministre des Transport du Qubec(MTQ) es t plus
ou moin s 2 9 00 0 k m e t le s somme s d'argen t investie s dan s c e dernie r son t largemen t
insuffisantes pou r l e mainteni r e n bon tat, puisque l e ratio de dollars invest i pa r kilomtr e
( 30 300 $/km) demeure relativement peu lev. (MTQ 2005)
L'ornirage es t u n dfau t d e surfac e qu i n e fai t qu'augmente r l e risqu e d'acciden t su r l e
rseau routier . E n effet, l a prsence d'ornire su r la chausse un e journe de pluie retien t
l'eau et peut causer l'aquaplanage de s vhicules qui y circulent.
Cette tud e traiter a d e l a dformatio n permanent e de s enrob s bitumineu x : l'ornirag e
des chausses souples . L'ornirag e es t reli la dformation permanent e d e l'enrob e n
surface d e l a chauss e suit e a u passag e rpt de s vhicules . L a dformatio n
permanente es t u n suje t proccupan t d e no s jours e t plusieur s chercheur s on t tudi l e
comportement du matriau en vue de comprendre davantage les mcanismes en jeux.
Parmi le s diverse s tude s traitan t d e l a dformation permanent e de s enrob s bitumineu x
analyses, quelque s modle s d e prdictio n on t t rpertoris , comm e le s mthode s
VESYS, AASHTO 2002 et ESSO.
Dans l e cadre d e ce mmoire , nous nou s concentrerons su r l'tud e d e l'applicabilit d e la
mthodologie ESS O dans le contexte qubcois avec l'objecti f d e dterminer l a loi d'ESSO
pour deux enrobs bitumineux couramment utiliss au Qubec.
Au Qubec , l'essa i d'ornireur es t l e seul critre d'acceptatio n d'u n enrob bitumineu x su r
sa performance rsister l'ornirage. Aucu n modl e de comportement n'es t utilis pour
caractriser l'aptitud e un matriau de rsister la dformation permanente .
La mthodologi e ESS O fu t dvelopp e e n Franc e a u cours de s anne s 70 . Brivement ,
cette approche perme t de cerner, partir d'essais d e compression cycliqu e su r prouvett e
cylindrique, le s paramtre s dterminant s d'u n enrob vis--vi s s a dformabilit plastiqu e
(dformation no n rversible : dformation permanente) . L a mthodologie ESS O permet de
dcrire l'volution d e la dformation permanent e la surface de la chausse en service en
suivant un e approch e systmique , prenan t e n compt e l'ensembl e de s couche s d'un e
chausse e t les conditions d e sollicitation (tempratur e e t chargement). Dan s l e cadre de
ce mmoire , de s essai s on t t ralis s pou r paramtre r l e modl e d e dformatio n
permanente ESS O pou r de s enrob s type s courammen t utilis s a u Qube c e n vu e d e
prdire l'volution de l'ornirage d e ces enrobs dans les conditions du Qubec.
Ce mmoir e es t divis e n sep t (7 ) chapitres . L e premie r chapitr e fai t l e poin t su r l a
littrature relativ e au x enrob s bitumineux , l a notio n principal e abord e tan t l a
dformation permanente . L e second chapitre dcrit en dtail la mthodologie de prdictio n
de l a dformatio n permanent e dvelopp e pa r ESSO . L e troisim e e t l e quatrim e
chapitres prsenten t l a campagn e exprimental e e t l a descriptio n de s matriau x tests .
Les rsultat s son t ensuit e prsent s a u chapitr e cin q e t analys s a u chapitr e six .
Finalement, la conclusion et les recommandations font l'objet du dernier chapitre .
CHAPITRE 1
REVUE DE LA LITTRATUR E
Ce chapitre fai t le point sur la littrature disponible en lien avec l e sujet trait dans le cadre
de cette tude . I l traitera de s sujets concernan t l a dformation permanent e d e chausse s
bitumineuses.
1.1 Introductio n aux enrobs bitumineu x
La majorit d u rseau routie r qubcoi s es t revt u de chausses souple s (Gouvernement
du Qube c 2007) . Le s enrob s bitumineu x s e caractrisen t pa r l'utilisatio n d e matriau x
granulaires d e petite s e t grande s dimension s allan t raremen t au-del d e 2 0 millimtres .
L'enrob bitumineu x possd e le s proprit s de s matriau x qu i l e composent . Ce s
matriaux son t le s granulat s e t l e bitume . Le s particule s d u squelett e granulair e son t
retenues les unes aux autres pa r un liant, le bitume. Le s proprits mcaniques du bitume
jouent un rle important dans la rhologie de l'enrob .
Les proprit s mcanique s d u bitume varient fortement e n fonction de la temprature. L e
bitume es t di t thermosensibl e (Cort e t D i Benedett o 2005) . tr s haut e tempratur e
(>150C), i l se comporte te l un liquide newtonien, peu visqueux. E n dessous, de -20C, le
bitume es t rigid e e t agi t comm e u n solid e vitreu x lastiqu e e t fragile . Dan s l a plag e d e
temprature restant e (-20 C +150C) , son comportemen t es t u n mlang e d e ceux cit s
ci-dessus. I l prsente alors un comportement viscolastique linair e et/ou non linaire. L a
Figure 1. 1 montr e les diffrentes classe s de comportement d u bitume selon la dformation
de ce dernier et de la temprature.
1
( umpiiilciin;iil Iraiiik-
Kt _
Solide iastiqui.
CoinponciiKiil duciilc
Bitumes non in.'v.ionicns
.--''' ,Vsci>.c!a.slu]ucs
;lon lincitiie.v
Domaine Ues liants visqueu.x ncwtoniens
\ Liquid e visco-lastique linaire ' ^-^^ \ * 1
-n
calc>nmelrk|uc
rc iHirc
Figure 1.1 Classes de comportement du bitume en fonction de la dformation et de la temprature.
Source : Cett e figure a t tire du livre Matriaux routier bitumineux 1, p. 68. (Cort et Di Benedetto 2005)
Le comportement mcaniqu e du liant est galement sensible la frquence de sollicitation
du matriau . I l s'agit ic i de la susceptibilit cintique . Ell e est due au caractre visqueu x
du bitume . Pa r exemple, lor s d'u n essai d e module complex e su r le bitume , pou r une
mme temprature de sollicitation, le module du bitume est plus lev lorsque la frquence
est leve et le module est plus peti t basse frquence (Cort et Di Benedetto 2005) . C e
mme phnomn e ser a observabl e dan s le s enrob s bitumineu x d au x proprit s
visqueuses que le bitume apporte l'enrob.
Cette sensibilit du comportement mcaniqu e du bitume vis--vi s de la temprature e t de
la vitesse de sollicitation (temp s de chargement), peu t tre interrelie et dcrite pa r ce qui
est conven u d'appele r l e principe d'quivalenc e Temp s - Temprature . C e principe est
utilis avec les enrobs bitumineux . Le s rsultats de modules peuven t ains i tre ramen s
sur un e courbe matress e pou r un e temprature quelconqu e o toutes le s gammes de
frquence - temprature sont reportes l'aide de coefficients de translation a j (Cort et Di
Benedetto 2005) . C e coefficient varie pou r chaque temprature et est gale l'unit pour
la temprature de rfrence.
Le princip e d'quivalenc e Temp s - Temprature es t dfini dan s l e contexte d'u n essai de
module complexe . L e module d'un enrob obtenu pou r un e temprature et une frquence
de sollicitation donn e peu t galemen t tr e obtenu l'aide d'un autr e couple tempratur e
et frquence. L a relation entre les deux couples est obtenue partir d'un coefficien t aj . L e
comportement d e l'enrob bitumineu x peu t alor s tr e reprsent pa r un e courb e uniqu e
(plan Cole-Col e o u espace d e Black ) qu i n'es t influenc e n i pa r l a temprature , n i pa r l a
frquence.
Cette quivalenc e perme t d e rduir e le s courbe s isotherme s e n un e seul e courb e de s
tempratures d e rfrenc e e t d e dfini r le s module s d e l'enrob pou r un e plag e d e
frquences quivalente s beaucou p plu s vast e qu e cell e offert e pa r le s quipement s d e
laboratoire actuels . L a courbe matress e es t alors constitue de s translations parallle s
l'axe des frquences.
La courb e d u modul e d e l'enrob peu t don c tr e paramtr e pa r un e seul e variabl e e n
fonction d e l a frquence e t d e l a temprature e t perme t d'obteni r de s valeur s d e modul e
pour de s frquences inaccessible s pa r l'exprimentation . L a Figur e 1. 2 prsent e le s
courbes isotherme s ains i qu e l a courb e matress e approxim e pa r l e mode l rhologiqu e
2S2P1D pour un enrob bitumineux ESG-10 (PG 70-28).
|E*| (MPa) 100000
10000
1000
100
10
0.0001 0.01 1 100 Frequency (Hz)
10000 1000000
Figure 1.2 Courbes isothermes de la norme du module en fonction de la frquence et courbe matresse approxime par le modle 2S2P1D.
1.2 Thori e de l'ornirage (type s d'ornires )
Dans u n premier temps, i l est importan t de mentionne r qu e le terme ornirag e ser a utilis
dans c e documen t dan s l e context e de s chausse s bitumineuses . Visuellement , l a
dformation permanent e gnr e pa r l e passag e d'u n vhicul e es t no n perceptibl e e n
surface. C'es t l a rptitio n d e l a charg e appliqu e su r l a chauss e qu i perme t l a
visualisation d e la dformation caus e pa r le passage des vhicules. L'ornirag e dsign e
la dformation permanent e laiss e dans le profil transversal de la chausse. I l est gnr
par et croit avec l'action rpt e du passage de vhicules.
Sur le s chausse s e n enrob bitumineux , le s dformation s permanente s son t
gnralement classifies suivant deux principaux types, soit :
ornire s grand rayon
ornire s petit rayon
1.2.1 Ornire s grand rayon
Les ornire s gran d rayo n reprsenten t l a dformatio n permanent e perceptibl e sou s
forme d'u n gran d rayo n l a surfac e de s voie s d e l a chausse . Ell e es t caus e entr e
autres pa r la faible capacit du sol support rsister au x charges applique s la surfac e
de l a chausse pa r les vhicules. Alors , l a couche d'enrob bitumineu x sui t l e tassement
des couche s support s e t l'ornir e gran d rayo n appara t dan s chacun e de s voies , e n
surface de la chausse. L a Figure 1.3 a) illustre ce phnomne.
1.2.2 Ornire s petit rayon
Les ornires petit rayon prsenten t une dformation permanent e suivant un petit rayon
la surfac e d e l a chauss e localis dan s le s trace s d e roues . Dan s c e cas , le s couche s
supports n e subissen t aucun e dformatio n gnr e pa r le s charge s roulantes . I l s'agi t
essentiellement d e l a couche d'enrob qu i se dforme d e faon irrversibl e sou s l a trace
de roue. C e type d'ornire es t caus par deux phnomnes importants . L e premier es t la
post compactio n d e l'enrob suit e s a pos e e n chantier . Ell e cr e alor s de s petite s
ornires n e dpassant pa s l a largeu r d e l a rou e qu i y circule. La Figur e 1. 3 b) montre ce
phnomne. L e deuxim e tan t li l'incapacit d e l'enrob rsiste r l a dformatio n
permanente, c e qu i s e tradui t pa r l a mobilisatio n d u squelett e granulaire . I l y a
dplacement du matriau et la formation de bourrelets de chaque ct de la dpression est
observable. I l s'agi t ici , d'une dgradatio n d e l'enrob bitumineu x qu i n e peu t rsiste r a u
cumul de s dformation s gnre s pa r l e passag e rpt de s charge s roulantes . C e
phnomne est prsent la Figure 1.3 c).
v.v
th
^"^
ittth
tS ti^ii.
' '
10
considrant l'approch e multicouch e dvelopp e pa r Burminster , o n peu t mettr e e n relie f
l'effet d'un e charg e su r l'ta t de contraint e dan s l a structur e d e chauss e ains i idalise .
En utilisan t le s hypothse s suivantes : 1 ) l e matria u bitumineu x es t considr comm e
tant lastique linaire , 2) l'empreinte d e la charge circulair e a un rayon R = 12,5 cm et 3)
une pression de contact quivalant 0,662 MPa . L e calcul selon l'approche de Burminste r
peut tr e ralis l'aide du logicie l Aliz qu i me t en application l'approch e dvelopp pa r
Burminster. L a Figur e 1. 4 montr e l e rsulta t d'un e tell e analys e e n considran t
l'application d'un e charge statique applique en surface.
V
o. .>,: = " H , "
0 ( !
<
.\. V
A
ai-ilr;iitr piiru-ipa k leuumpiv^siHi i
^ ^ . L-tntramlr pnnci ulc de fractii m
.(lipuciirdfls (Whi' s pfopi'.r!uinB?lli ' ^itm-'!^ilt' Ses Mll!U.-J)J!lt
11
a^^ > (T^i > 0^ : En Ai , i l y a un tassement d u matria u suivan t l a direction vertical e e t
une dilatatio n dan s l e sen s horizonta l e t l e matriau es t soumi s un e
compression dans l'axe vertical et horizontal.
^H3 - '^V 3 ^ n /\^^ l a couch e d'enrob bitumineu x agi t ave c le s mme s
caractristiques qu'un e plaqu e soumis e d e l a flexion . L a contraint e
verticale est prs de zro et la contrainte hohzontale agit en traction.
(7v2 - 0 -
a~. l i Mil
Af.> - ( l .c . , ' - i l .4 -II, - /
I - a i > ;
25 a i :
- ( ) ,
12
O.C- q (MPa ) ' = -5im A. : / ^-)5i.:,i ) .\2 ' - -:!;.ti.'f . . lall . ^ l i >
13
- Les importantes variations qualitatives et quantitatives de ces trajets de
chargements, en fonction de la cote considre dans la structure de l a chausse.
Les trait s principau x prcdent s n'illustren t qu e partiellemen t l a complexit de s
sollicitations relle s gnre s pa r l a circulatio n de s vhicule s dan s le s couche s d'enrob
bitumineux. Plusieur s mode s d e sollicitation viennen t s'ajoute r ces principau x traits , en
plus d u comportemen t visqueu x d e l'enrob . galement , l a prsenc e d'effor t d e
cisaillement l a surfac e d e l a chauss e au x zone s d e freinag e e t dan s le s pentes ,
l'interaction de s charge s voisine s dan s l e ca s d'essieu x multiple s o u jumels, (etc) . son t
autant d'lments considrer qu i vont influencer l a dformation permanente de l'enrob .
1.4 Origin e physiqu e de s dformation s permanente s (dformatio n rversibl e e t non rversible)
Lors de l'application d'un e charg e sur la chausse, une dformation es t gnre. Utilisan t
l'hypothse de s petite s dformations , l a dformatio n es t dcompos e e n un e portio n
rversible et une autre irrversible.
1.4.1 Natur e incrmental des dformations irrversible s
En utilisan t l'hypoths e de s petite s dformations , l a dformatio n d'u n enrob bitumineu x
peut tre prsente sous la forme suivante (Cort et Di Benedetto 2005) :
5( t ) -5r '^ ( t ) + 5''""(t) (1.2 )
La petite dformation es t mesure par rapport au temps. Cett e dformation se dcompose
en un e composant e rversibl e e t un e composant e irrversibl e dite s permanentes .
L'ornirage es t essentiellement l e reflet de la portion permanente de la dformation.
- p e r m ^ ^ ) ^ ^ g - p e r m ^ ^ ^ ^ ^ 3 ^
chargements
La dformatio n permanent e d'u n cycl e d e chargemen t es t difficilement mesurabl e e t c'es t
l'effet de cumul des cycles de chargement qu i rend mesurable l a dformation permanent e
en cours . I l faut note r qu e l a frquence d e chargement a une influenc e su r l'impac t d e la
14
dformation permanent e pour le chargement en question. Plu s la frquence de sollicitation
est faibl e plu s l a dformatio n permanent e augmente . Pa r l e fai t mme , l e dommag e
gnr pa r cette application es t lev par rapport une frquence plu s rapide (Cort et Di
Benedetto 2005).
1.4.2 Rl e d u bitum e e t d u squelett e granulair e dan s l'origin e de s dformation s permanentes
Rle du bitume
Les bitume s son t de s matriau x viscolastique s fortemen t therm o susceptibles . Leu r
comportement s'apparent e celu i d'u n fluid e haut e tempratur e e t de s vitesse s d e
sollicitations faibles . C'es t c e caractr e fluid e qu i es t principalemen t associ l a
dformation permanent e de s enrob s bitumineux . L e lian t joue u n rl e importan t dan s l e
dplacement du squelette minral . L a rorganisation des granulats est possible seulemen t
lorsque le liant le permet.
Rle du squelette granulair e
Vu leu r agencement , le s matriau x granulaire s jouen t u n rl e importan t dan s l a
dformation permanent e de s enrob s bitumineux . Leu r rl e peu t tr e expliqu e n parti e
par analogi e ave c l e comportemen t de s matriau x granulaire s no n lis . De s essai s a u
triaxial ralis s su r des matriau x granulaire s no n li s montren t qu e l e nombr e d e cycle s
de chargement joue u n rle important dans l e processus de la dformation permanent e du
matriau. Plu s l e nombr e d e cycl e augmente , plu s le s matriau x granulaire s no n li s
tendent s e dformer . L a Figur e 1. 6 illustr e l e princip e d e l'essa i triaxia l e t l'effe t d e
cyclage sur le matriau analys.
u = a , - n , C I " ) -
4(X)
ChcminN di; conlra:nlLvs
o
i-i, fH l> fZ, I- V ' U V f V
HK) A
/ ^ . ;?(X) / ' ; .
2()
. | , , T - = 1
X ,!(,: =Kf.^
I l - * " ' -
Temps 0 10 0 2
16
Simulateur de trafic
Il exist e plusieur s simulateur s d e trafi c traver s l e mond e qu i permetten t d e simule r l e
passage d'un essie u simpl e sur un e plaque d'enrob (Whel l Tracking Tester : WTT). De s
prouvettes son t a u pralabl e compacte s l'aide du compacteur pneu s pa r actio n d e
ptrissage o u prleve s directemen t e n chantier . Parm i ce s simulateurs , l a Figur e 1. 7
montre les plus connues.
a) l'APA b) le HDWT (FHWA 2005)
c) le PURwheel (FHWA 2005) d ) lornireur MLPC
Figure 1.7 Les simulateurs les plus connus.
Ces essai s son t plu s o u moin s reprsentatif s d e l a dformatio n rell e retrouv e su r le s
rseaux routiers . Il s demeuren t cependan t d e bo n indicateu r d e rsistanc e l'ornirag e
pour les conditions d'essais des simulateurs de trafic.
17
Mange de fatigue LCPC
Le mange de fatigue d u LCP C es t utilis depuis 198 4 sur l e site du LCPC de Nante s en
France. L e sit e dispos e d e troi s anneau x d e rayo n moye n correspondan t 19, 5 m . L e
mange es t form d'un e tourell e central e e t d e quatr e bra s su r lesquel s peuven t tr e
disposes de s charge s roulantes . Le s charge s roulante s peuven t galemen t tr e
combines pou r ralise r de s essieu x simples , tande m o u tride m un e rou e o u roue s
multiples, afi n d e reprsente r l a configuratio n de s essieu x de s vhicule s lourd s su r le s
chausses. L e mang e perme t d e faire circule r le s charges une vitess e allan t jusqu'
100 km/h . L a Figur e 1. 8 illustr e l e mang e d e fatigu e d e Nante s e t diffrente s
configurations possible s de ce dernier. L e mange permet entre autres de simuler l'effet et
les efforts reli s la fatigue e t l'ornirage su r le s matriaux tudis e t mise en oeuvre
l'aide d'un finisseur et de rouleaux compacteurs .
18
Figure 1.8 Mange de fatigue et diffrentes configurations de la charge. Source : Ce s photo s on t t reue s pa r courrie l l e 24 octobre 200 7 pa r l'entremis e d e Juliett e
Sohm travaillant au LCPC de Nantes.
1.5.2 Le s essais de caractrisation
Les essai s d e caractrisatio n permetten t d e connatr e le s paramtre s intrinsque s d e
matriaux donns , chacu n possdan t se s propre s caractristiques . Ce s essai s son t dit s
homognes.
19
Fluage statique en compression simple
Une prouvette d e forme cylindrique es t soumise une charge de compression uniaxiale .
La contraint e appliqu e e t l a tempratur e son t constante s a u cour s d e l'essai . L a
dformation longitudinale est mesure en fonction du temps.
Le rsulta t obten u a u cour s d'essais perme t alor s d e mesure r l e modul e scan t qu i
correspond au rapport entre la contrainte et la dformation obtenue au cours du temps.
S(t,e,a) = (1.4 ) (t) ^ '
Diverses relation s entr e l e modul e scan t e t l'aptitud e de s enrob s bitumineu x rsiste r
aux dformation s permanente s on t t dveloppes . L a socit ptrolir e Shel l propos e
une mthod e quantitativ e d e rsistanc e l'ornirage pou r le s enrobs bitumineu x parti r
des rsultat s de l'essai de fluage statique en compression simple . Le s donnes de l'essai
de fluag e son t croise s ave c le s proprit s thermoviscolastique s d u bitum e contenue s
dans l'enrob examin (Di Benedetto et Cort 2005).
Le mod e d e chargemen t utilis a u cours d e cet essa i diffr e de s sollicitation s complexe s
rellement obtenues dans le phnomne d'ornirage. I l devient alor s difficile d e quantifie r
et d e comprendr e le s mcanisme s d e dformatio n permanent e d u n manqu e
d'informations utile s pour comprendre ces mcanismes.
Essais homognes chargement rpt
Les essai s homogne s chargemen t rpt son t habituellemen t ralis s su r de s
prouvettes d e form e cylindrique . L'prouvett e es t soumis e u n chargemen t axia l d e
forme sinusodal e o u en crneau. Le s chantillons peuven t tr e obtenus pa r carottage i n
situ, de plaques ralise s au compacteur MLP C en laboratoir e o u encore obtenus partir
de la presse cisaillement giratoire.
20
Par rappor t au x essai s d e fluag e statique , ceux-c i permetten t d e ramene r le s aspect s
essentiels de s sollicitation s i n situ . L'applicatio n d'un e rptitio n d e charg e dcharge su r
l'enrob jou e un rle majeur dans l'volution d e la dformation permanent e des matriau x
bitumineux.
Par rappor t au x essai s d'ornireurs , le s essai s chargemen t cycliqu e permetten t d e
connatre l e comportemen t de s enrob s pou r de s contraintes, de s frquence s d e
sollicitation e t des tempratures plu s variables que celles des ornireurs. Cependant , ce s
essais n e permetten t pa s d'tudier l'effe t des rotations de contrainte qu i se retrouve dan s
les conditions relles .
Essai de compression simple rpt sans confinement
Cet essa i consist e soumettr e un e prouvett e cylindriqu e un e sollicitatio n d e
compression sous forme sinusodale ou en crneau.
L'interprtation typiqu e de s rsultat s d e c e typ e d'essa i perme t d e reprsente r l a
dformation permanent e e n fonctio n d u nombr e d e cycle s d'application . L a dformatio n
observe prsent e troi s phases . L a premir e dan s laquell e l a pent e d e l a dformatio n
diminue avec le nombre de cycles jusqu' un certain niveau o la pente demeure stable (la
deuxime phase) . L a dformatio n permanent e mesur e pou r chacu n de s cycle s es t
identique duran t cett e phas e e t un e troisim e phas e o l a vitess e augment e jusqu' l a
rupture d u matriau . L a Figur e 1. 9 montr e le s troi s phase s d e l a dformatio n dan s u n
essai de compression simple rpt sans confinement.
21
Dformation e n pourcentag e e n fonctio n du nombr e d e cycle s
20000 4000 0 6000 0 8000 0 10000 0
Nombre de cycles (N )
Figure 1.9 Dformation en fonction du nombre de cycles avec les trois phases de la dformation permanente.
Ces essai s son t beaucou p plu s reprsentatif s d u comportemen t d e l'ornirag e dan s le s
enrobs bitumineu x qu e le s essai s d e fluag e statiqu e caus e d e l a rptitio n d e
chargement. D l'absenc e d e confinement , ce s essai s semblen t insuffisant s dan s l a
reprsentation d e certain s matriau x bitumineux . Le s enrob s drainant s e t squelett e
granulaire for t son t reconnus comme stable s pou r le s couches de roulement d e chauss e
et l a capacit rsiste r l'ornirag e s e voi t pnalis e lor s d e l a ralisatio n d'essa i d e
compression san s confinement latral . L a premire phas e est associe au comportemen t
d'un enrob un essai de fluage. C'es t la rptition de cycles de chargement qu i perme t
d'atteindre l a portion linaire (Phase 2).
Essai de compression simple rpt confinement constan t
Cet essa i consist e soumettr e un e prouvett e cylindriqu e un e sollicitatio n d e
confinement fix e su r les paroi s du spcimen, appel OH , jumel une compression axial e
variable Oy gnralement sou s form e sinusodale . L a contraint e d e confinemen t es t
22
toujours sou s form e d e compression don c G H > 0 e t l a contrainte d e compressio n Oy es t
toujours plus grande que la contrainte applique pour confiner l'prouvette (O y > GH).
En cour s d'essai , le s dformation s volumique s dan s l'ax e longitudina l e t tangentie l o u
radial son t enregistres. I l est souhaitable d'effectue r de s temps de repos entre diffrent s
cycles d e chargement . Cel a perme t a u matria u d'atteindr e un e certain e recouvranc e e t
les portion s rversible s e t irrversible s peuven t tr e analyse s e n cour s d'volutio n d e
l'essai.
Essai de compression simple rpt confinement variable
De mme que l'essai de compression simple confinement constant , dans l'essai rpt
confinement variable, l'prouvette es t soumise des sollicitations de compression verticale
et d e confinemen t variable . Le s cycle s d e chargemen t de s deu x mode s d e sollicitatio n
peuvent tre avec ou sans dphasage l'une par rapport l'autre. L a contrainte G V doit tre
maintenue plus grande que GH pour viter les problmes de dcollement de l'chantillon en
cours de chargement.
1.6 Mthode s de prdiction de dformation permanent e
La littrature , prsent e plusieur s mthode s dveloppe s pou r prdir e l a dformatio n
permanente de s enrob s bitumineux . Certain s estimen t l'volutio n d e l a dformatio n
permanente e n fonctio n d u nombr e d e cycle s d e chargement , d'autre s e n fonctio n de s
contraintes appliques . D'autre s on t combin l e nombr e d e cycle s d e chargemen t e t le s
contraintes appliques pour dvelopper leurs modles de prdiction.
Le Tableau 1.2 montre divers modles de prdiction de la dformation permanente classs
en fonctio n de s critre s utilis s lor s d u dveloppemen t d e ce s modles . D e tou s le s
modles prsent s dans ce tableau, le modle ESS O de prdiction ser a celu i utilis dans
cette tude. L a modle ESS O de prdiction a t retenue puisqu'i l tient compte des deux
premires phase s du processus de dformation permanente . I l sera expliqu en dtai l au
chapitre 2.
23
CM
3 (0 _g) Si 03
robe
s
c
le
o o ^
renc
e
-(D
Rf
cr -0) *
Ion
9-
Des
c T
ype
aie
1972
D
rks
re CQ
^ ^
Z p ^ A O '^
^ S -t ^ 1 2 m I I II
_d) re "D (A .^ re CQ
O) _o
Sem
i
mith
et
1975
'c o o o
s
"
XI
z il Q.
00
, O
( A o ( A - 3
Q.
0) o
^ re
Loi
uiss
Q.
adeh
et
1980
N _ : : 2 S
5
E
'z ro il Q.
00
g X O 3
O ^ re
4.^ 'LU
d) O
0) c o re
Loi
uiss
a
mith
et
1975
(A _ : c o O o S
S
to
z~ D) _o
CO
O -h
Z^ D)
(NI
O +
Z^ en
i(IO
'
O -1 -
o
o II
Q. 00 D) o
1 0) ( A -1 ' c O o S S
C o "(A 0 ) (A k .
Rg
re
pu
ch 1
993
>. c L. O X
^ l " ^ ^
100
Q. r -00 -h
1
Z O O
1
1 1
< II
Z^ ^ .. Q. . -00
.c
c
Hor
a> , o
^ re
Loi
uiss
Q.
re19
90
d) d) 5 (/)
^
Z^
^ ^ -1-
II
z^ Q. T -oo
O)
d)
d) ^ to
O) ^
Log-
ton
et
.199
3
* : = =7 o -1 o
o"
z
log
* co +
Q. 00
log
il Q.
loge
UJ
:PAV
D: m Q. 3 (0
d> /,. < J
a re
Loi
uiss
Q.
24
CM
blea
u
ro 1 -
(sui
te)
bs
nro
0) t/5 0)
D d) D5 ro 3
1 ^
0) 3 d)
T3 dJ
ro
rni
r l'o
le
nt
lo
rtem
L:L
le c
om
d) k
' L _
o - 0 T3
^ 3 O Q . CA -dJ {/)
amm
ent u
til
3 O O
idl
es
o
: f
ren
ce
cr
cr -d) ^
iptio
n
u.
Des
c T
ype
ento
n 19
74
(0
. , a>
MAX
~N
CO
*
II
LJ
She
ntor
d)
oi d
e ss
anc
a
Leka
rp 1
997
o "
X < r, 5
cr| Q . v ^ *
il LL LU et Z^
00
o
I J
Leka
rp
d>
oi d
e ss
anc
-5 a
Ken
is
1977
^ ^
D 1 z_
3 .
Il c Q.
UJ
VE
SY
S
d>
oi d
e ss
anc
- 5 a
itcza
k 20
01
5
N" ^
z o ~
;62
* ,4
2
o + en
II 1
Q. -U) 1 00
CM O O
AA
SH
TO
2
d>
oi d
e ss
anc
- J 3
Tse
ng e
t yt
ton
198
9
_i
n^ ^
Z z
^ '+ co.
^ Q.
o c a Il t o
II 00 c
Q. 00
TSE
NG
LYT
TO
N
d>
oi d
e ss
anc
- 5 a
Zho
u e
t co
ll. 2
004
T t T -
^ ^ 1
!/> ' a. J2i
^ ^ l Il + - ^ +
" O O H Il w a I I
00
d> .^ j c O) c o
Thr
ee-S
ta
perm
ane
defo
rmat
i m
odel
ofl
Loi d
e pu
issa
nce
lina
ire
t>.
sse
da
t19
7
3 <
\r> T -
.... H CD
X
D >
b OO
II u)
ES
SO
01
Loi
fluag
(
d> T5
CHAPITRE 2
DESCRIPTION DE LA MTHODOLOGIE ESSO DE PRDICTION DE LA DFORMATION PERMANENT E
2.1 Introductio n
Suite au x diver s modle s d e prdictio n d e l a dformatio n permanent e prsent s a u
chapitre 1 , la mthodologie ESS O de prdiction a t retenue puisqu'ell e tient compte des
deux premire s phase s d u processu s d e dformatio n permanente . L a phas e 3 es t pe u
intressante puisque lorsque la dformation atteint ce niveau de dformation, la vie utile du
matriau es t toute s fin s pratique s termine . Cett e mthod e a t dvelopp e pa r
Aussedat e t ses collaborateurs (Aussedat 1977) .
Cette mthod e perme t parti r d e l a lo i d'u n enrob , d u profi l journalie r d e tempratur e
dans l a chausse , d u profi l journalie r de s contrainte s dan s l a chauss e d'estime r
l'ornirage re l d'une structur e de chausse. L e mthode ESS O est base sur une lo i de
dformation permanent e sou s chargemen t cycliqu e sinusodale . L a littratur e fai t
rfrence un e lo i d e fluag e dynamique . Noton s que , d'un e par t l e chargemen t es t
variable e n cour s d'essa i e t qu e d'autr e par t l'intensit e t l a frquenc e son t relativemen t
faibles sans mettr e en cause des effets d'inertie . E n consquent, nou s parlerons de l a lo i
de dformatio n permanent e sou s charg e cycliqu e sinusodal e plut t qu e d e lo i de fluag e
dynamique. I l perme t d'tabli r u n lie n entr e l a dformatio n permanent e e t l e nombr e d e
passages d'essieux sur un revtement bitumineux .
Deux mode s d e sollicitatio n cycliqu e peuven t tr e utilis s lor s d e l a ralisatio n d'u n essa i
de compressio n cyclique . U n premie r mod e consist e sollicite r l'prouvett e suivan t u n
chargement e n crneau , c'est--dire u n temps d e chargemen t ave c un e contrainte fixe et
un temps d e repo s quivalen t a u temps d e chargement . O n peu t galemen t sollicite r d e
faon cycliqu e l'prouvette , san s priod e d e repos , suivan t u n chargemen t sinusodal .
C'est ce mode de sollicitation qu i a t utilis dans le cadre de nos essais visant caler la
loi d e dformatio n permanent e tir e d e l a mthodologi e ESS O certain s enrob s type s
couramment utiliss au Qubec.
26
2.1.1 Descriptio n gnrale de la mthodologie
La mthodologi e ESS O vis e tabli r l'volutio n d e l'ornirag e e n pourcentag e (% ) d e
dformation pa r millions de cycles de sollicitation (Me).
Le modl e d e dformatio n permanent e d e cett e mthodologi e es t dvelopp parti r de s
rsultats obtenu s d'essai s triaxiau x su r de s enrob s bitumineux . L'essa i consist e
soumettre un e prouvett e cylindriqu e un e contraint e vertical e sinusodal e e n
compression ave c o u sans contraint e d e confinement latral . D e cet essai , la courbe d e
dformation reprsentan t l'volutio n d e la dformation permanent e en fonction du nombr e
de cycle s d e chargement s es t alor s trace . Ce t essa i pren d e n compt e l'effe t cycliqu e
d'application d u chargement qu i existe sur la chausse (le passage de vhicule) e t permet
de faire varie r le s autres paramtre s d'essai , soi t l a pressio n d e confinement , l'amplitud e
de la contrainte verticale, la temprature ains i que la frquence.
2.1.2 Descriptio n dtaille
La mthodologi e ESS O perme t d e prdir e l'ornirag e o u l e cumu l d e l a dformatio n
permanente d'un e structur e d e chausse sous un trafic d e vitesse e t d'intensit donn s
l'aide de s loi s d e dformatio n permanent e tablie s e n compressio n cycliqu e sinusodal e
pour les diffrents matriaux bitumineux .
La mis e e n applicatio n d e l a mthodologi e ESS O prsent e troi s limitation s notable s
inhrentes aux hypothses de base.
1. Ell e n e peu t tre utilise dans l e cas o l a contrainte verticale Oy es t suprieure
10^ N/m^ (IMPa) (Ausseda t 1977) . Noton s que le champ de contrainte effecti f su r
chausse souple dpasse rarement les 10^ N/m^. (Aussedat 1977 )
2. Ell e doi t tre utilise uniquemen t dan s l e cas o la fondation es t plu s rigide que la
couche d e bas e pendan t l't . Le s loi s d e dformatio n permanent e tablie s e n
compression cycliqu e sinusodal e n e son t valable s qu e lorsqu e l a contraint e
isotrope O H est positive, soit en compression. Notamment , les quipements actuel s
27
de laboratoire ne permettent pas d'exercer un e traction isotrope sur une prouvette.
Or, comm e nou s l'avon s soulign l a sectio n 1.3 , d e nombreuse s couche s
bitumineuses d e bas e o u d e surfac e subissen t un e contraint e horizontal e d e
traction quan d elle s son t pose s su r u n suppor t moin s rigid e qu'elle s o u
dpendamment de la profondeur. Leu r comportement la dformation permanent e
ne peut pas tre calcul par cette mthodologie. (Aussedat 1977 )
3. Finalement , l a mthodologie ESS O analyse essentiellement l e comportement d e la
couche d e bas e qu i es t protg e de s ala s d u trafic (freinage , acclration , cte ,
virage) o u a u clima t (tr s for t gradien t d e temprature) . L a couch e d e surfac e
pourrait galement tre tudie, mais pour reste r auss i prs des ralits , i l faudrait
des programmes de calculs et des essais plus sophistiqus. (Aussedat 1977 )
La mthodologi e ESS O tien t compt e dan s le s calcul s d e l'influenc e d e quatr e variable s
juges indpendantes soit :
l a contrainte verticale ; Oy
l a contrainte horizontale : OH
l a temprature ; T
l a frquence : f r
Les prouvette s servan t l a ralisatio n de s essai s cerne r l a lo i d e dformatio n
permanente e n compressio n cycliqu e sinusodal e doiven t ncessairemen t tr e prleve s
de matriau x compact s pa r actio n d e ptrissage . Elle s peuven t alor s tr e carotte s
directement d e l a chauss e o u d'un e plaqu e issu e d'u n compacteu r pneumatiqu e e n
laboratoire. Le s prouvette s fabrique s dan s u n moul e pa r compressio n statiqu e
prsentent un comportement radicalement diffrent .
chacu n de s essai s triaxiaux , l'objecti f d e l'essa i es t d e tracer l a courb e reprsentan t l e
pourcentage d e dformation permanent e e n fonction du nombre de cycles . L a Figur e 2.1
montre un e courb e typ e d e l'volutio n d e l a dformatio n permanent e sou s charge s
cycliques.
28
Dformation permanente (% )
o
Taux de dformation permanente ( )
Nombre de cycles
Figure 2.1 Courbe p de dformation permanente sous chargements cycliques.
De cette relation les paramtres suivants sont calculs :
l a dformation initial e o (exprime e n %) qui es t l'ordonn e l'origine d e l a droite
prolonge dcrivan t l'volutio n d e l a dformation permanent e d e l a phase 2 pa r la
ligne tiret;
l a vitesse de la dformation permanente de la phase 2, = de / dN (exprime en %
/ Me), reprsente par la pente de la droite de la deuxime phase;
l a dur e d e vie 6 % (Ng/ . exprime e n Me ) dfinie comm e l e nombr e d e cycle s
ncessaires pour atteindre une dformation permanente de 6% suivant la pente .
2.1.3 Lo i de dformation permanent e
La mthodologi e ESS O propos e d e dcrir e l a lo i d e dformatio n permanent e e n s e
concentrant essentiellemen t su r l a phas e 2 . O n assum e qu e cett e phas e volu e
linairement et elle est une relation de type ;
29
= ( a v , a H , T , f j (2.1 )
Afin d e prcise r l a relatio n ci-dessus , i l fau t effectue r un e sri e d'essais e n compressio n
cyclique sinusodale en ralisant diverses combinaisons de Oy, d e OH, de temprature et de
frquence. Cel a permettr a d'tabli r l a relatio n e n fonctio n de s condition s d'essai s
imposes.
La mthodologi e ESS O propos e un e relatio n logarithmiqu e d u tau x d e l a dformatio n
permanente de la phase 2, , de la forme suivante :
log = A + B log Ov + C (AOH) + D (AT) + F (Ai,) (2.2 )
Une fois les essais raliss , i l faut dterminer le s constantes A, B , C, D et F de l'quatio n
avant d e pouvoi r fair e l e cumu l d e l a dformatio n permanent e pou r un e structur e d e
chausse donne.
Le calcul de la dformation permanente , l'ornirage , consist e principalemen t intgrer le s
lois propre s chacun de s matriau x bitumineu x d e l a structure de l a chausse ci-dessu s
en fonctio n d e l a profondeu r d e celle-ci . I l fau t note r qu e l e profi l d e temprature , l a
contrainte vertical e e t l a contraint e d e confinemen t varien t su r toute l a profondeu r de s
couches bitumineuses dans la structure de chausse. Ce s derniers sont tablis pa r divers
modles d e prdictio n (Tempratur e mesur e directemen t dan s l a chausse , e t le s
contraintes, calcul suivan t un e mthode , multicouch e lastiqu e te l qu e propos pa r
Burminster) (Huan g 2004 ) Le s rsultat s obtenu s son t des pourcentage s d'ornire s o u de
dformations exprims en millimtre par millions de cycles.
Pour obtenir l'volution d e l'ornirage au cours d'une journe, la mthodologie ESSO exige
de faire le calcul rptiti f de la dformation permanente pou r une condition spcifique (T et
trafic) pou r chaque heure en fonction du profi l de temprature et de multiplier pou r chaque
heure l a prvisio n d u trafi c pa r heur e d e l a rout e e n question . L e rsulta t d e cett e
opration est alors l'ornirag e re l pour une journe. I l est galement possibl e de raliser
le calcul journalier pour obtenir le cumul annuel et du cycle de vie du matriau.
30
Avant d e pouvoi r calcule r l a dformation permanent e selo n l a mthodologie ESSO , i l faut
tout d'abord dterminer les constantes A, B, C, D et F de l'quation 2. 2
2.2 Dterminatio n des paramtres A, B, C, D et F
Aprs avoi r ralis un e sri e d'essai s e n faisan t varie r le s variable s don t l e modl e d e
dformation permanent e (quatio n 2.2) tient compte , i l s'agit de dterminer l'effe t que cela
occasionne su r l e matria u bitumineu x l'tude . Le s effet s son t subdivis s e n troi s
catgories : le s contraintes, la temprature et la frquence de chargement.
2.2.1 Dfini r l'effet des contraintes (A, B et C)
Lors de cette tape, la vitesse de dformation permanent e ( ) es t mesure en maintenan t
une temprature (T ) e t un e frquence (fr ) constantes tou t e n faisan t varie r le s contrainte s
verticale (Oy) et horizontale (OH) , en traant le graphique de (%/Mc) versus Oy (10^Pa).
Cette tap e perme t alors , d e dtermine r le s premier s paramtre s parti r d e l a relatio n
suivante :
log = A + B l o g O v + C OH (2.3 )
O:
A, B, C sont des constantes propres au matriau
2.2.2 Dfini r l'effet de la temprature (D)
Cette tape ser t mesurer l a vitesse d e dformation permanent e ( ) sou s un mme ta t
de contraintes (oy et O H constants tout au long des essais) et une mme frquence mai s
diffrentes tempratures.
L'effet de la temprature est tabli suivant la relation ;
l og i / l og2 = D(Ti -T2) (2.4 )
31
O :
D est une constante.
2.2.3 Dfini r l'effet de la frquence (F)
De cette tape, l'effe t de la frquence su r l a vitesse de dformation permanent e ( ) sou s
un mm e ta t d e contrainte s (o v e t O H constan t tou t a u lon g de s essais ) e t sou s un e
temprature constante est observ.
L'effet de la frquence est alors tabli suivant cette relation :
l o g ( i / 8 2 ) = Flog(fM/fr2) (2.5 )
O:
F est une constante
Notons qu e l a frquence d e sollicitation considrer peu t tre approxim e parti r d e l a
vitesse du trafic, Aussedat nonc e (Aussedat 1977 ) : La frquence, jouant u n grand rl e
dans l a lo i de dformation permanent e comm e dan s l a lo i de module , doi t tr e estime
partir de l a vitesse des poids lourds . Bie n que la relation soi t en fonction de la profondeu r
dans l a structur e e t d e l a rigidit d e cett e dernire , o n peu t e n premir e approximatio n
estimer que :
fr (Hz) = V (km/h) / 6 (2.6 )
2.3 Calcu l de l'ornirage pou r un tronon routier
Maintenant qu e toute s le s constante s d e l a relatio n gnral e d e l a lo i d e dformatio n
permanente son t connues , i l es t possibl e d e calcule r l a prvisio n d e l a dformatio n
permanente ou l'ornirage d'une section de rseau routier .
2.3.1 Relatio n gnrale de dformation permanent e
Aussedat (1977 ) a tablie l a lo i de dformation permanent e pou r un e grave bitum e ayan t
une pntration de 40/50 pour le domaine o :
32
la contrainte Ov varie de 2,5 X 10^ N/m^ 1 x 10^ N/m^
la pression O H varie de 0 3 X 10^ N/m^;
la temprature T varie de 25 40 C;
la frquence fr varie de 0,1 50 Hz.
L'quation ci-dessous , issu e des travaux prsent s pa r Aussedat , es t valable uniquemen t
pour le domaine cit plus haut.
log s = A + BlogOv + CoH + D ( T - 3 0) + Flog fr/1 0 (2.7 )
O:
log s = % / Me
OvetOH = 10^ Pa
T = C
fr = H z
2.3.2 Calcu l de l'ornirag e
Par l a suite , afi n de calcule r l'ornirag e d e l a chausse, i l est primordia l d e savoi r qu e la
prdiction d e l'ornirage pou r u n matriau donn dpend des conditions dan s lesquel s ce
matriau est soumis. C e calcul ne demeure valable que dans les conditions auxquelles i l a
t ralis. Or , dans le calcul de l'ornirage, i l faut d'abord connatre :
la nature de l'enrob (calcu l des constantes);
l'paisseur d e la couche;
la vitesse du trafic;
l'volution des contraintes dans la couche;
l'volution d e la temprature dans la couche.
Lorsque toutes ces conditions sont connues, il est possible de calculer l'ornirage pou r une
structure de chausse donne.
33
2.3.3 Calcu l d e l a dformatio n permanent e e n fonctio n d e l'paisseu r de s couches
Dans u n premie r temps , i l fau t intgre r l'quatio n 2. 7 e n fonctio n d e l'paisseu r d e l a
couche, soit :
Ep_(t) = ]()dy (2.8)
Sachant qu e l a temprature, l a contrainte verticale e t la contrainte de confinement varien t
sur toute l a profondeur d e l a couche, i l faut calcule r l a dformation permanent e a u temps
i , l'quatio n 2.7 , su r chaqu e sous-couch e d e l a couche . Pou r c e faire , o n subdivis e
chaque couches bitumineuses en plusieurs sous-couches de manire cerner la valeur du
taux d e dformation permanent e appropri . L a Figur e 2.2 montr e l a variation de s e n
fonction d e l a profondeu r pou r un e subdivisio n e n 2 0 sous-couche s d e l a couch e 2 d e
manire prendre en considration la variation de OH, O V et T.
Couche 3
Figure 2.2 Contraintes, temprature et taux de dformation permanente types dans la couche 2 d'enrob bitumineux.
34
La Figur e 2.2 divise en deux secfions : la section d e gauche prsent e l'volutio n d u taux
de dformation permanente ( ) e n fonction de la profondeur, alors que la section de droite
prsente la variation de OH , G V et de la temprature en fonction de la profondeur.
La portio n droit e d e l a Figur e 2. 2 montr e l a variation d e l a temprature , d e l a contraint e
verticale e t d e l a contraint e horizontal e e n fonctio n d e l a profondeu r d e l a couche . L a
portion de gauche reprsent e l e calcul de la lo i d'ESSO pou r l'enrob selo n les condition s
relles de sollicitation de la portion de droite.
Notons qu e le s valeurs d e son t calcule s parti r d e l a lo i de dformation permanent e
tablie pou r l'enrob d e l a couch e i suivan t le s essai s d e compressio n cycliqu e
sinusodale traits prcdemment .
Sachant que la dformation permanente va varier en foncfion des conditions de sollicitation
dfinies pa r le couple temprature e t trafic, l a dformation permanent e totale ncessite un
calcul incrmenta l prenan t en compte cette volution. L a mthodologie ESS O propose de
dfinir pou r l a structur e d e chauss e tudi e un e fonctio n prenan t e n compt e l e profi l
journalier d e l a tempratur e e t permettan t d e dcrir e l e potentie l d e dformafio n
permanente pa r unit d e trafic . Cett e relafio n es t tabli e pou r u n profi l d e tempratur e
donn et pour une charge standard de 13 tonnes (CAS).
La Figur e 2. 4 prsent e l e profi l journalie r d e l a tempratur e e t l a Figur e 2. 4 montr e
l'volution d u calcul du taux potentie l d'ornire (mm/Mc ) en fonction de la profondeur pou r
chaque heur e de l a journe en tenant compte des diffrents paramtre s e t des condition s
relles de sollicitation d'une journe (Temprature et charge de rfrence CAS, trafic).
ce stade, les donnes sont toujours en millimtres de dformation permanent e par million s
de cycle s tan t donn qu e l'influenc e d u trafi c re l n' a pa s encor e t pris e e n compt e
dans le cumul des dformations.
35
0) k.
3 S Q.
E
50
45
40
35
30
25
20
15 H
10
5
R S
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Temps (h)
Figure 2.3 Variation de la temprature moyenne de la couche 2 d'un enrob bitumineux au cours d'une journe.
16
14
E E V ^ O) c ^ o ^ d) *^ c 0> < o a X 3 re
12
10
R
ti
4
2
r-1 r i f - 1 n.n n n n 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Temps (h)
Figure 2.4 Variation du taux d'ornire de la couche 2 d'enrob bitumineux au cours d'une journe.
36
2.3.4 Calcu l de la dformation au cours d'une journe
Connaissant maintenan t l e tau x potenfie l d'ornir e pou r chaqu e heur e d'u n cycl e d e 2 4
heures, on procde alors l'intgration d u profi l de charges pou r obtenir l'ornirag e re l Q
de l a structur e bitumineus e d e chausse . Pou r c e faire , i l fau t effectue r l a doubl e
intgration ci-dessous . Soi t multipli pa r l a variatio n dan s l e temp s d u nombr e d e
passages d'essieux de 13 tonnes N(t).
to y , (2.9 )
Par contre , pou r ralise r cett e tape , i l est importan t d e procder a u pralable l'analys e
complte d e l'volufio n d e l'ornirag e d e l a chauss e e n fonctio n d e chaqu e heure ,
puisque l'ornirag e dpen d d e l a tempratur e e t d u trafi c e t qu e ce s deu x dernier s
paramtres doiven t tr e actualiss e n fonction du temps. I l est impossibl e d e procde r
l'analyse complt e e n un e journe san s teni r compt e d e ce s deu x paramtre s chaqu e
heure de la journe. I l faut donc procder une analyse approfondie chaque heure pour
ventuellement dduire le comportement total de la chausse vis--vis l'ornirage pou r une
journe.
Pour ce faire, il faut dterminer l a variation de passage d'essieux normalis s dans le temps
(dN / dt) . L a frquenc e d e passag e es t e n premir e approximafio n calcul e selo n l a
relation suivante :
M - P *c;* T '^(24) ~ "^(13 ) *- ' ' R
/ \ / \ V 100
rp, \ L 100
(2.10)
O
N(24) Nombr e de passages journaliers d'essieux de 13 tonnes : nombre d'CAS
TR Trafi c total journalier dans les deux sens;
PL Pourcentag e d e vhicule s d e plu s d e 1, 5 t d e charg e util e passan t su r l a
chausse (Belgique et France = 20%);
37
V Pourcentag e d e vhicule s d e plu s d e 1, 5 t d e charg e util e passan t su r l a
voie tudie (en gnral V = 50%);
S Nombr e moye n d'essie u pa r poid s lour d d e plu s d e 1, 5 t d e charg e ufil e
(France S = 2,8 en dehors des villes);
P(i3) Frquenc e d e passage s d'essieu x d e 1 3 t quivalen t d u poin t d e vu e d e
l'ornirage l'histogramme re l des frquences de passages des diffrentes
classes d'essieux circulan t en ralit sur la chausse (France 0,30)
Connaissant maintenan t l e paramtre , i l es t possibl e d e complte r l e calcu l d e dt
l'ornirage re l (quatio n 2.9 ) dan s l a chauss e pou r un e priod e quelconqu e d e l a
journe. L e dtai l d u calcu l d e l'ornirag e re l es t prsent au x le s figures 2. 5 e t 2. 6
partir de s graphique s d u tau x potentie l d'ornir e e t d u tau x d e trafi c pou r un e journ e
donne.
38
Profil de la temprature dans la chauss en fonction de la profondeur
Profil des contraintes dans la chausse en fonction d'un CAS
Profil du taux potentiel d'ornire (mm/Mc) en fonction du temps
12 1 6 Tvmps (hjrs)
Tfnps |huri 10 1 5
Mesur en chantier l'aide de thermocouples (3) insrs diffrentes profondeurs dans la chausse ( 1 0 - 5 0 - 1 0 0 mm)
Calcul l'aide du logiciel KEN PAVE et des donnes relatives la composition de la chausse (type d'enrob, E*, paisseur, etc.)
Calcul l'aide de la loi de dformation permanente tablie par ESSO en fonction du profil de temprature et du profil des contraintes
Figure 2.5 Dtail du cumul de l'ornirage partie A.
39
Profil de la rpartition horaire journalire de la circulation Cours ouvrables)
Profil de rvolution de l'incrment de la dformation permanente en fonction de l'heure de la journe et pour un trafic et une vitesse de circulation donns
Profil de rvolution de l'ornirage total de la structure d'une chausse en fonction de l'heure de la journe
1 1
0
1 1
/ \ A. y \ / V, , X \ / V / ^ ' ^ / ^ / ^
y 1 p /
: } 4 ' 9 1 0 I I i : 1 1 4 i ; 1 6
T mp c ili n
r u i:o i : : :: 4
.0
" . O
2 i- j
T*mp ci l i n
Mesur en chantier l'aide de compteurs Calcul en fonction de statistiques et des coefficients de charges (CAS)
Calcul l'aide de la loi ESSO et en prenant en compte le trafic cumul total d'une journe
Trac en prenant en compte rvolution de l'incrment de la dformation permanente de chaque couche de la chausse tudie
Figure 2. 6 Dtail du cumul de l'ornirage partie B.
40
2.4 L a loi gnrale de la dformation permanent e
Aussedat (Ausseda t 1977 ) a observ un e volution quas i linair e dans l e domaine log( )
et log(av) . L e modl e d e l a dformation permanent e es t don c fond l a bas e su r cett e
observafion. I l correspond l'quation suivante :
log = A + B lo g a y (2.11 )
cette quation s'ajouten t le s travaux d'Aussedat e t de ses collaborateurs qu i permetten t
de proposer des relations qu i tiennent compte du confinement latral , de la temprature e t
de l a frquence. Dan s c e domaine, l'hypoths e d e l a linarit d'Ausseda t es t dcrit e pa r
une loi en puissance de la forme
y = a< (2.12)
partir des valeurs exprimentales, les paramtres ao et b de cette relation sont tablis en
minimisant l'erreu r suivan t l'approch e de s moindres carrs . E n reprsentant l a relafion en
puissance sous forme logarithmique, soit :
log(y) = l og (ao ) *b l og (x ) (2.13 )
On retrouv e l a form e d e l a lo i d e dformafio n permanent e repris e pa r l a mthodologi e
ESSO. (quafion 2.11). L a Figur e 2.8 montr e la relafion dcrite ci-dessu s lorsqu e O H = 0,
T = 30''Cetfr= 10Hz .
av(IO'Pa)
Figure 2.8 Pente de la dformation en fonction de Ov-
41
Par association , l a valeu r log(ao ) correspon d l a constant e A d e l a lo i d e dformatio n
permanente d e l a mthodologi e ESSO . Pa r ailleurs , l a constant e B , correspon d
directement la valeur b de l'approximatio n d e la lo i de puissanc e opfimise . L a relatio n
2.11 ser t d e bas e l a lo i d e dformatio n permanent e pou r l a mthodologi e ESSO . Or ,
plusieurs autre s paramtre s dterminant s von t interfre r su r l a rpons e e n dformafio n
permanente d'u n enrob bitumineux . Notamment , l a contraint e d e confinement , l a
temprature e t l a frquenc e son t de s paramtre s tudi s pa r Ausseda t e t se s
collaborateurs. Il s on t valu l'effe t d e chacu n d e ce s paramtre s d e manir e le s
prendre en compte dans la loi de dformation permanente .
2.5 Effe t de s condition s d'essai s su r l a lo i d e dformatio n permanent e d e l a mthodologie ESS O
Afin de quanfifier le s autres constantes de la loi de dformafion permanent e proposes par
la mthodologie ESS O (quatio n 2.2) , i l faut faire varier le s condifions d'essais un e une
et trace r l a mm e relatio n ( e t Oy). Cel a permettr a d e quantifie r pou r u n enrob donn
les constantes C, D et F de la loi de dformation permanente.
2.5.1 Effe t d u confinemen t (GH ) su r l a lo i d e dformatio n permanent e d e l a mthodologie ESS O
L'effet d u confinemen t latra l es t exprim dan s l a lo i ESS O pa r l a constant e C . Pou r
traduire ce paramtre, Aussedat pose , d'une part que les relafions dans le domaine log ( )
et log (Ov) pour divers niveau x d e confinement son t parallle s et , d'autre part , que le taux
de variatio n d e (ao ) d e l a lo i d e puissanc e vari e d e fao n exponenfiell e e n foncfio n d u
confinement. C e qui se traduit par la relafion suivante :
log E = A + B lo g 0 ^ + 0 ^ 0 ^ (2.14 )
Pour le cas OH , la loi de puissance peut s'crire :
y - ao " * x ' " ( X tant OH ) (2.15 )
o btjH est uneconstante pour tous le OH
42
Pour obtenir l a variafion gnre par l'applicafion de diffrents O H , soit le paramtre C, on
vrifie l e dcalage apport dan s l a relafio n ( e t Ov) en fonction d e OH - L a Figur e 2.9
illustre la pente de la dformation en fonction de la contrainte verticale pour trois pression s
de confinements disfinctes.
10,0000 n
1,0000
J 0,100 0
0,0010
0,0001
"r" " ^"^'^'^^^^^^^^^"''''^^^^
^ y =
j y =
y -
a""-/"'"
a^-'x-'-f"
a'-'^x'"" -
.^''
43
Dans ses travaux su r l a mthodologie ESSO , Aussedat e t ses collaborateurs on t constat
que le confinement a une incidence marque sur l'volution d e la dformation permanente .
Le paramtre ao volue selon la loi exponentielle suivante :
a a"^*e '= " (2.16 )
quivalente :
log a 0 = lo g a "/ " + b a (2.17 )
O:
a"""", l a valeu r d e a o lorsque O H =0, soi t l a valeu r d e A d e l a lo i d e dformafio n
permanente d'ESS O e t b , l a pent e quivalen t a u logio(e'') . L a constant e C correspon d
alors b de la loi exponentielle ao de l'quafion 2.17.
Connaissant la valeur du logarithme de a"" , l a relafion devient la suivante
log a g = A + C O H (2.18 )
La constante C est alors un facteur de translafion de la constante A et la loi d'ESSO mis e
jour devient :
log = A + B lo g a ^ + C a ^ (2.19 )
2.5.2 Effe t d e l a tempratur e (T ) su r l a lo i d e dformatio n permanent e d e l a mthodologie ESSO
L'effet de l a temprature es t exprim dans l a lo i ESS O pa r l a constante D . Pou r traduir e
ce paramtre , Aussedat pose , d'une par t que les relafions pou r u n niveau de temprature
donn son t parallle s dan s l e domaine lo g ( ) e t lo g (Ov ) et, d'autre part , qu e l e taux d e
variation d e (ao ) d e l a lo i d e puissanc e vari e d e fao n exponentiell e e n foncfio n d e l a
temprature. C e qui se traduit par la relafion suivante :
Pour le cas T on peut crire :
Avec bx constante pour tous les AT
y = a^^*e ' ' ^ (2.20 )
44
Maintenant, i l fau t mesure r l'influenc e d e l a temprature pou r dtermine r l a constant e D .
La pression de confinement es t alors fixe 0*10^Pa et la frquence maintenue 10 hertz
et o n fai t varie r l a temprature . L a pent e d e l'essa i d e dformatio n permanent e es t
prsente l a Figur e 2.1 1 e n fonctio n