ENROBÉSÀ HAUTE

À L’ORNIÉRA

BITUMINOWITH A HIG

TO FLO

BITUMINEUX RÉSISTANCEGE PAR FLUAGE

US MATERIALSH RESISTANCE

W RUTTING

ISBN 2-84060-028-5

Mots clés

BITUME - CALCUL DES CHAUSSÉES - CHAUSSÉE SOUPLE - COUCHE DE ROULEMENT -ELASTOMÈRE - ENROBÉ - DURABILITÉ - FLUAGE - MÉTHODE D'ESSAI - ORNIÈRE -PRÉVISION -

Keyword

BITUMEN - BITUMINOUS MIXTURE - CREEP (Mater) - DURABILITY - ELASTOMER -FLEXIBLE PAVEMENT - FORECAST - PAVEMENT DESIGN - RUTTING (Wheel) - TESTMETHOD - WEARING COURSE -

08.03.B

COMITE TECHNIQUE AIPCR DES ROUTES SOUPLES

PIARC TECHNIC

ENROÀ HA

À L’ORN

BITUMWITH A

TO

Rédaction / AuthorJ. VERSTRAETEN(Belgique /Belgium)

Association internationale permanente des Congrès de la RoutePermanent International Association of Road Congresses

AL COMMITTEE ON FLEXIBLE ROADS

BÉS BITUMINEUXUTE RÉSISTANCEIÉRAGE PAR FLUAGE

1995

INOUS MATERIALS HIGH RESISTANCE

FLOW RUTTING

PRESENTATION

J. BONNOThe Technical Committee on Flexible Roads

en properties to temperature and loading time is responsibles of bituminous mixes as pavement materials. Besides the or recycled by simple heating, this susceptibility gives themation or relaxation in prolonged loading. This explains thekage cracking - unless conditions are exceptional - and theirovements of the underlying course, as well as their “self-t there is also a risk involved: that of permanent deformationituminous materials are subjected to high temperatures and

, therefore, be designed for a high resistance to permanentrificing the other properties required for fatigue strength andgeing and stripping effects).

re subjected to very severe rut-inducing loads by modernads. Tyre-pavement contact pressures have increased as aeels coming into general use (instead of dual wheels) and thevy vehicles at congestions on high-volume arterial roads.ents have led to the greater “aggressivity” of present-day

progress has been made in understanding the factors which permanent deformation. Research has resulted in new

this resistance and predict rut depth; the progress of researchix design methods, in which high resistance to permanent

t often the primary concern. New bituminous binders have

PRÉSENTATION

J. BONNOTPrésident du Comité technique des Routes souples

La susceptibilité des propriétés des bitumes à la température et au temps de chargeest à l’origine de bien des qualités des enrobés bitumineux comme matériau dechaussée ; outre la possibilité d’être mélangés ou recyclés par simple chauffage, elleleur confère de grandes capacités d’allongement, ou de relaxation pour des temps decharge longs ce qui explique l’absence, sauf conditions exceptionnelles, de fissurationpar retrait thermique et la possibilité de suivre les mouvements lents du support ; elleleur confère également des capacités d’autoréparation. Mais elle introduit un risque,celui de l’orniérage par déformation permanente dans les sites où ils sont soumis àdes températures élevées et à des temps de charge longs.

La formulation doit donc viser à obtenir une forte résistance aux déformationspermanentes, sans sacrifier les autres propriétés nécessaires de résistance à lafatigue et de durabilité (résistance aux effets de vieillissement et de désenrobage).

Les couches bitumineuses supérieures des chaussées à fort trafic sont soumises par letrafic moderne à des sollicitations très sévères en ce qui concerne le risque d’orniérage.L’augmentation des pressions de contact des pneus, qui a résulté de la généralisationdes roues simples à pneu large en remplacement des roues jumelées, la circulation trèslente des véhicules lourds sur les axes à fort trafic en cas d’encombrements, sont desévolutions récentes qui contribuent à cette grande agressivité.

Parallèlement, les connaissances ont beaucoup progressé sur les facteurs quidéterminent la résistance aux déformations permanentes ; les recherches ont permisde créer de nouvelles méthodes de caractérisation de cette résistance et de nouvellesméthodes de prévision des profondeurs d’ornière ; les progrès de la recherche ont

Chairman of t

The susceptibility of bitumfor a great many qualitiecapability of being mixedgreat potential for elongabsence of thermal shrinability to follow slow mrepairing” properties. Burutting on sites where blong loading times.

Bituminous mixes shoulddeformation, without sacdurability (resistance to a

Bituminous surfacings atraffic on high-volume roresult of super single whvery slow traffic of heaThese recent developmtraffic.

At the same time, majordetermine resistance tomethods to characterize has benefited practical mdeformation is now mos

bénéficié aux méthodes pratiques de formulation, qui sont souvent maintenant

fondées avant tout sur l’objectif d’obtenir une bonne résistance aux déformationspermanentes. De nouveaux liants bitumineux moins susceptibles à la températuredans la gamme des températures de service sont apparus.

Tout ceci a conduit le Comité technique des Routes souples de l’AIPCR à souhaiter

appeared which are less susceptible to the range of temperatures encountered inservice.

All this led the PIARC Technical Committee on Flexible Roads to try and state the artical document. After recalling the mechanisms of rutting, this main parameters affecting resistance to rutting in bituminouse methods of characterizing this resistance, the methods ofd the practical mix design methods aimed in particular at

e to rutting; and to describe the mix compositions to be useduirements for rutting resistance.

p.7

faire le point actuel de ces questions, dans une publication qui, après avoir rappelé lesmécanismes de l’orniérage, identifierait les principaux paramètres qui conditionnent larésistance à l’orniérage des enrobés bitumineux, présenterait les méthodes decaractérisation de cette résistance, les méthodes de calcul des profondeurs d’ornière,les méthodes pratiques de formulation dirigées particulièrement vers l’obtention d’unebonne résistance à l’orniérage, et décrirait les compositions d’enrobés à utiliser dansles sites où la résistance à l’orniérage est particulièrement nécessaire.

P.6

on the subject in a technpublication identifies thematerials; to present thcalculating rut depth anachieving high resistancon sites with specific req

by Jean VERSTRAETEN, Deputy Director at the Belgianhose authority in this field is well-known. He was assisted ine Technical Committee providing him with plenty of material.

nt deformation rutting from bituminous materials is, above all,bility - unlike for fatigue cracking, which is also a matter ofn. On sites with very severe loading conditions all measuresve rutting resistance: choice of binder, filler and aggregatest least as important as the binder); choice of the proportionse mix.

es for high resistance to rutting it is necessary to have goodproperty, i.e. capable of realistically reproducing the effects ofrs that are relevant to rutting resistance: binder consistencysibly binder elasticity, and the shear resistance of the mineral of all the tests that have been used up to now, and even ofsed almost universally. The characteristics of a good test fordeformation appear to be as follows: it should be a repeatede the effect of elastic binders); it should involve interparticlesive test it should be triaxial, if it is a shear test the effect ofilized); it should be performed under realistic conditions oftime; and the load applied should result in realistic permanenthould be made on a bituminous material in a condition aswhich it will have in a pavement when it is prone to rutting.ly its voids content, but also the structure of the mineralof the binder on a microscopic scale and the properties of thentative. The choice of laboratory mixing and compactiony important.

ssible to make a full study of resistance to permanent

Cette publication a été rédigée par Jean VERSTRAETEN, Directeur adjoint au Centrede Recherches routières de Belgique, dont la compétence dans ce domaine est bienconnue. Il a bénéficié de nombreuses informations données par les membres duComité technique.

L’absence d’orniérage par déformation permanente des enrobés est avant tout unequestion de qualité des matériaux, à la différence de l’absence de fissures de fatigue,qui est aussi une question de dimensionnement structurel de la chaussée. Dans lessites à sollicitations très sévères, toutes les dispositions favorisant la résistance àl’orniérage doivent être utilisées : choix des liants, des fines d’apport et des granulats(ces derniers jouant un rôle aussi important, sinon plus, que celui des liants), choixdes proportions de ces constituants.

Pour formuler des enrobés à forte résistance à l’orniérage il faut disposer de bonsessais pour caractériser cette propriété, c’est-à-dire capables de reproduire de façonréaliste l’effet de tous les paramètres de composition qui améliorent la résistance àl’orniérage : consistance du liant aux températures élevées, éventuellement caractèreélastique de ce liant, résistance au cisaillement du squelette granulaire. Ce n’est pasle cas de tous les essais qui ont été utilisés jusqu’ici et même de certains qui l’ont étéde façon quasi universelle. Les caractéristiques d’un bon essai de résistance à ladéformation permanente semblent se dessiner ainsi : ce doit être un essai àchargement répété (pour reproduire l’effet de liants à caractère élastique), il doitmobiliser le frottement interne des granulats (si c’est un essai de compression il doitêtre triaxial, si c’est un essai de cisaillement l’effet de la dilatance doit être mobilisé), ildoit être réalisé à des températures et temps de charge réalistes, la sollicitationappliquée doit se traduire par des déformations permanentes également réalistes.L’essai doit être réalisé sur un enrobé dans un état le plus proche possible de celuiqu’il aura dans la chaussée lorsqu’il risquera d’orniérer : non seulement sa teneur envides, mais la structure du squelette granulaire, la répartition du liant à l’échellemicroscopique, et les propriétés du liant, doivent être représentatives : ceci donnedonc une grande importance au choix des méthodes de malaxage et de compactageen laboratoire.

Il ne sera pas toujours possible de faire une étude complète de la résistance à la

The report was preparedRoad Research Centre, whis task by members of th

The absence of permanea question of material stastructural pavement desigshould be taken to impro(the latter playing a part aof these constituents in th

To design bituminous mixtests to characterize this all composition parameteat high temperatures, posskeleton. This is not truesome which have been uresistance to permanent loading test (to reproducfriction (if it is a compresdilatancy should be mobtemperature and loading deformation. The test sclose as possible to that This means that not onskeleton, the distribution binder must be represemethods is, therefore, ver

It will not always be po

déformation permanente : pour certains sites moins exposés, la vérification de lacomposition volumique après compactage ou après passage du trafic suffira.

Les autres propriétés des enrobés bitumineux telles que résistance à la fatigue etdurabilité doivent être préservées ; comme les mélanges à forte résistance àl’orniérage seront très souvent des mélanges “raides” difficiles à compacter (puisquele frottement interne des granulats sera grand) ils nécessitent une adaptation des

deformation. A volumetric composition check after compaction or trafficking will haveto do on a number of less exposed sites.

The other properties of bituminous materials, such as fatigue strength and durability,should be preserved in the process. Since mixes with a high resistance to rutting willoften be “stiff”, i.e. difficult to compact (because of high interparticle friction), theyrequire an adaptation of the conditions of compaction by an appropriate choice of layer

uipment and rolling schemes.

cument will convince readers that it is possible to design,ous materials capable of resisting rutting on sites exposed tons.

p.9

conditions de compactage : choix de l’épaisseur des couches, composition et emploide l’atelier de compactage.

Il faut souhaiter que cette publication convaincra les lecteurs qu’il est possible deconcevoir et de réaliser des enrobés bitumineux capables de résister à l’orniéragedans les sites les plus sévères.

p.8

thickness, compaction eq

It is hoped that this doprepare and lay bituminthe most severe conditio

FOREWORD

ly rut-resistant bituminous mixes was prepared by the PIARC Flexible Roads (C8) as part of its activities in anticipation ofngress in Montreal in 1995.

ived from:

entre expérimental de Recherches et d’Etudes du Bâtiment etes Travaux publics (CEBTP), France,

ratoire central des Ponts et Chaussées (LCPC), France,

ansport Research Laboratory (TRL), United Kingdom,

University, Finland,

istry of Public Transport, The Netherlands,

ratislava Technical University, Slovakia,

erösterreichischen Landesregierung, Austria,

. Technische Bitumenabteilung, Germany,

l Highway Administration, United States of America,

nement du Québec, Ministère des Transports, Canada,

tro de Estudio de Carreteras del Cedex, Spain,

AVANT-PROPOS

La présente publication sur les enrobés bitumineux à haute résistance à l’orniérages’inscrit dans le cadre des travaux du Comité technique C8 “Routes souples” del’AIPCR, préparatoires au XXe Congrès mondial de la Route - Montréal 1995.

Elle a été établie grâce au concours de :

- G. AUSSEDAT - Centre expérimental de Recherches et d’Études du Bâtiment etdes Travaux publics (CEBTP) - France,

- J. BONNOT - Laboratoire central des Ponts et Chaussées (LCPC) - France,

- D.M. COLWILL - Transport Research Laboratory (TRL) - Royaume-Uni,

- E. EHROLA - Université de Oulu - Finlande,

- J.M. GOPPEL - Ministry of Public Transport - Pays-Bas,

- I. GSCHWENDT - Université technique de Bratislava - Slovaquie,

- G. HERBST - Niederösterreichischen Landesregierung - Autriche,

- O. KAST - Esso A.G. Technische Bitumenabteilung - Allemagne,

- T. PASKO - Federal Highway Administration - Etats-Unis d’Amérique,

- N. RIOUX - Gouvernement du Québec - Ministère des Transports - Canada,

- R. ROMERO - Centro de Estudio de Carreteras del Cedex - Espagne,

This publication on highTechnical Committee onthe XXth World Road Co

Contributions were rece

- G. AUSSEDAT - Cd

- J. BONNOT - Labo

- D.M. COLWILL - Tr

- E. EHROLA - Oulu

- J.M. GOPPEL - Min

- I. GSCHWENDT - B

- G. HERBST - Nied

- O. KAST - Esso A.G

- T. PASKO - Federa

- N. RIOUX - Gouver

- R. ROMERO - Cen

- C. ALMEIDA ROQUE - Junta Autonoma de Estradas - Portugal,

- T. SUYAMA - Green Consultant Co Ltd, Japon,

- D. SYBILSKI - Road and Bridges Research Institute - Pologne.

Que tous soient remerciés de leur collaboration et tout particulièrement M. RIOUX qui,

- C. ALMEIDA ROQUE - Junta Autonoma de Estradas, Portugal,

- T. SUYAMA - Green Consultant Ltd, Japan,

- D. SYBILSKI - Road and Bridges Research Institute, Poland.

Their co-operation is gratefully acknowledged, as is the special effort of Mr RIOUX, for this publication set up a committee to state the art for the full text of the report of this committee is appended).

p.11

dans le cadre des travaux préparatoires à cette publication, a mis sur pied un comitéafin de faire le point de la question pour la province du Québec et dont nousreproduisons en annexe l’intégralité du rapport préparé par ce comité.

p.10

who as part of the workprovince of Quebec (the

ENERAL INTRODUCTION

tting in bituminous layers has existed for several years, but hase different countries in the same way.

urvey of the technical and scientific literature on the subject. Forreport “Resistance of Flexible Pavements to Plastic Deformation”search group of the Organization for Economic Cooperation and) (ref. [1]) already highlighted the relationship between the the magnitude of the relevant external factors (figure 1, based

re 1 that there is fair agreement between the severity of ruttingit, overloading and maximum temperature in the pavement.

tting (OECD data -

INTRODUCTION GÉNÉRALE

Le phénomène d’orniérage par fluage des couches bitumineuses s’est posé il y aplusieurs années, mais il n’a pas toujours affecté les différents pays de la mêmemanière.

Ceci est démontré par l’examen de la littérature technique et scientifique. A titred’exemple, en 1975, le rapport intitulé “Résistance à la déformation plastique deschaussées souples”, préparé par un Groupe de Recherche routière de l’OCDE(Organisation de Coopération et de Développement Économiques) (réf. [1]) mettaitdéjà en évidence l’importance de l’orniérage et des facteurs extérieurs qui l’influencent(figure 1 établie sur base des données de la réf.[1].

A partir de la figure 1, il faut constater une assez bonne concordance entrel’importance du phénomène d’orniérage et la charge maximum à l’essieu, l’importancedes surcharges et de la température maximum du revêtement.

Figure 1 - Importance de l’orniérage (données OCDE - 1975)

G

The problem of flow runot always affected th

This appears from a sexample, in 1975 the prepared by a road reDevelopment (OECDseverity of rutting andon data from ref. [1]).

In can be seen in figuand legal axle load lim

Figure 1 - Severity of ru

La situation a évolué car, si en 1975, des pays comme le Canada, les U.S.A, et lasuisse ne voyaient pas dans l’orniérage un problème trop inquiétant (figure 1) ils ontété amenés à lui porter beaucoup plus d’attention comme le prouvent les travaux ci-

IMPORTANCE : FAIBLEGRANDE

The situation has changed since then. Countries like Canada, the USA andd not consider rutting as a major problem in 1975 (figure 1), haveh more attention to it. Examples of work in this field include:

ent Rutting Seminar - Roads and Transportation Association ofda, April-May 1991 [2];

de de revêtements bitumineux d’autoroutes fortement sollicitéesartement fédéral des Transports, des Communications et de

rgie, Office fédéral des Routes, August 1992 [3];

p.13

après :

- Pour le Canada : séminaire sur l’orniérage des revêtements - Association des routeset transports du Canada, avril et mai 1991 (2)

- Pour la Suisse : Etude de revêtements bitumeux d’autoroutes fortement sollicités,Département fédéral des transports, des communications,et de l’energie. Officefédéral des routes, août 1992, (3)

p.12

Switzerland, which dinow come to pay muc

- for Canada: PavemCana

- for Switzerland: Etu- Dépl’Ene

Joint Task Force on Rutting - American Association of Statend Transportation Officials, Washington, February 1989 [4];

ty Pavements - Status report by the Technical Europeanavement Association, Breukelen, 1991 [5].

research carried out to improve the performance of roade Strategic Highway Research Program (SHRP). Thisg other things on bituminous mixes was established in theat reviewing the specifications for the characteristics of mix design methods [6].

the countries first faced with the problem were looking for extended to other countries.

generalization are developments in traffic. Commercialreased in number, but also changed in geometry and weight:le tyres replacing dual tyres, higher inflation pressures, load aspects will be developed in Chapter I.

tending to all countries and, above all, the efforts made tos relevant to the rutting resistance of bituminous mixes ared rules of good practice have been determined. They alsosures taken (using harder bitumens) did not produce thew how illusory it would be today to set all one’s hope on the

hile neglecting the other constituents of the mix.

ion is to state the art in this field and mainly to establish howobtained with a high performance for:

g,

- Pour les USA : AASHTO, Joint Task Force on Rutting, American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, février1989, [4]

- Pour l’Europe : Heavy Duty Pavements - Status report by the Technical EuropeanAsphalt Pavement Association, Breukelen, 1991, [5].

Dans le cadre des recherches effectuées en vue de l’amélioration des performancesdes structures routières il faut aussi signaler l’important programme SHRP (StrategicHighway Research Program) qui a débuté aux USA en 1987 et qui, en matière demélanges bitumineux, vise entre autres à revoir les spécifications concernant lescaractéristiques des constituants et les méthodes de formulation [6].

Alors que les pays frappés les premiers cherchaient déjà des remèdes nous voyonsdonc que le phénomène d’orniérage s’est progressivement étendu.

La cause principale de cette généralisation est l’évolution du trafic et ceci nonseulement suite à l’augmentation du nombre de véhicules commerciaux mais aussi etsurtout suite aux modifications apportées dans leurs caractéristiques géométriques etpondérales : roues à pneu large en remplacement de roues jumelées, pression degonflage plus élevée, configuration des charges etc. (Ces points seront développésdans le chapitre I).

Cette généralisation du phénomène à tous les pays et surtout les efforts faits pour lecombattre ont conduit aujourd’hui à mieux identifier les paramètres conditionnant larésistance à l’orniérage des mélanges bitumineux et à en tirer des règles de bonnepratique. Ils permettent aussi d’expliquer pourquoi les toutes premières mesuresprises (usage de bitumes plus durs) n’ont pas donné les résultats escomptés et ausside montrer combien il serait illusoire aujourd’hui de reporter ses espoirs vers le seulemploi de liants modifiés si l’on néglige les autres constituants du mélange.

Le but de cette publication est de faire le point de la question et surtout de dégager les“règles de l’art” à suivre pour l’obtention de couches bitumineuses performantes à savoir :

- résistance à l’orniérage par fluage ;

- for the USA: AASHTO Highway a

- for Europe: Heavy DuAsphalt P

Also worth mentioning asstructures is the massivprogramme centred amonUSA in 1987 and aims constituents as well as the

It seems, then, that whileremedies, rutting gradually

The main cause of this vehicles have not only incwide-based (“super”) singconfigurations, etc. These

With the phenomenon exmitigate it, the parameternow better understood anexplain why the first meahoped-for results, and shouse of modified binders w

The object of this publicatbituminous layers can be

- resistance to flow ruttin

- résistance à la fissuration par fatigue due à la répétition des charges ;

- résistance à la fissuration d’origine thermique (fatigue, retrait empêché) ;

et ce, sans oublier, pour les couches de surface, la nécessité de l’obtention decaractéristiques superficielles garantissant le confort et la sécurité des usagers.

- resistance to fatigue cracking under repeated loads,

- resistance to thermal cracking (fatigue, impeded shrinkage),

without forgetting, for wearing courses, the need to have surface characteristicsensuring the comfort and safety of road users.

, as far as surface characteristics are concerned, that aparttyre on the pavement transverse evenness is also veryhas indeed several disadvantages not only for comfort, but

ehicles when changing lane,

wheel paths, leading to aquaplaning and ice formation,

s in bad weather.

p.15

Notons encore qu’en ce qui concerne les caractéristiques de surface outre lanécessité d’une bonne adhérence pneu-revêtement, l’uni transversal revêt lui aussiune grande importance car une route orniérée présente plusieurs inconvénients et ce,non seulement au point de vue confort, mais aussi au point de vue sécurité :

- difficulté de contrôle des véhicules lors du changement de voie de circulation,

- accumulation d’eau dans les traces de roues et phénomène d’hydroplanage,formation de glace,

- distance de freinage accrue par mauvais temps.

p.14

It should further be notedfrom a good grip of the important. A rutted road also for safety:

- difficulty in controlling v

- water ponding in the

- longer braking distance

ENTS IN LOADING CONDITIONSR ROAD STRUCTURES

s to be considered in designing bitumen-paved roads is traffiche geometric and weight characteristics of commercial vehiclesweight > 35 kN).

characteristics have been rather dramatic over the past twentyffic has become more aggressive not only by the increase inl vehicles but also by the increase in damaging effects per

by a few characteristic examples.

asurements carried out in Belgium. These measurementsds make it possible to compare traffic conditions of 1970 with

0 and 1992 distributions of loads per individual axle observed Figure 3 represents the corresponding damaging effects fore product fi x Pi4 - where fi is the frequency of occurrence ofs of ordinates).

I . ÉVOLUTION DES CONDITIONS DE SOLLICITATIONS DES STRUCTURES

ROUTIÈRES

Un des facteurs essentiels à prendre en considération dans la conception deschaussées à revêtement bitumineux est le trafic ou, d’une manière plus explicite, lescaractéristiques géométriques et pondérales des véhicules commerciaux (poidsmaximum autorisé > 35 kN).

Au cours de ces vingt dernières années l’évolution de ces caractéristiques a été assezspectaculaire avec, pour conséquence, une agressivité plus grande du trafic nonseulement par l’augmentation du nombre de véhicules commerciaux mais aussi parl’augmentation des effets destructeurs par véhicule.

Nous illustrerons ici cette situation par quelques exemples caractéristiques.

Le premier exemple concerne des mesures effectuées en Belgique. Elles permettent,pour les routes à grande circulation, de comparer les conditions de trafic rencontréesen 1970 et celles rencontrées en 1992 [7].

La figure 2 donne, pour 1970 et 1992, la distribution des charges par essieu individuelrencontrées sur les routes à circulation importante. La figure 3 donne, pour 1970 et1992, l’intensité des effets destructeurs correspondants (les grandeurs portées surl’axe des ordonnées sont les produits fi x Pi4 où fi est la fréquence d’apparition de lacharge par essieu Pi).

I . DEVELOPMFO

One of the main factoror, to be more explicit, t(permissible maximum

Developments in theseyears. As a result, tranumber of commerciavehicle.

This may be illustrated

The first relates to meperformed on trunk roathose of 1992 [7].

Figure 2 shows the 197on high-volume roads. 1970 and 1992 (with thaxle load Pi - on the axi

p.17

e 3 - Effets destructeurs des charges (Belgique)ure 3 - Damaging effects of loads (Belgium)

p.16

Figure 2 - Distribution des charges par essieu (Belgique)Figure 2 - Axle load distributions (Belgium)

FigurFig

ure 2 that the frequency of occurrence of light and very heavye decreased between 1970 and 1992, whereas the “medium”uent.

ase in transported loads and to changes in the geometry ofrly the increase in average number of axles per vehicle as afrequent use of triple axles (the average number of axles per from 2.57 in 1970 to 3.82 in 1992).

se developments is that with an equal number of commercialditions of 1992 were about two times as aggressive as those

ng effects proportional to Σifi x Pi4).

is example, figure 4 shows the load configurations moston roads in France. The high proportion of triple axles withoting.

SILHOUETTES AND LEGAL LIMITSMAXIMUM WEIGHTFOR AXLE LOAD (KN)

(KN)HEELS

HEELS

WHEELS

190

400

400

390

L’examen de la figure 2 conduit à constater, pendant la période 1970-1992, unediminution de la fréquence d’apparition des faibles charges par essieu individuel ainsiqu’une diminution de la fréquence des très fortes charges alors que la fréquence descharges “intermédiaires” augmente.

Cela est dû à l’augmentation des charges transportées et aux changements survenusdans la géométrie des véhicules et plus particulièrement l’augmentation du nombremoyen d’essieux par véhicule suite à l’utilisation de plus en plus grande d’essieuxtridem (le nombre moyen d’essieux par véhicule commercial était de 2,57 en 1970pour atteindre la valeur de 3,82 en 1992).

La conséquence de cette évolution est que pour un même nombre de véhiculescommerciaux les conditions de sollicitation sont environ deux fois plus agressives en1992 qu'en 1970 (somme des effets destructeurs proportionnelle à Σifi x Pi4).

Dans le cadre de cet exemple nous présentons sur la figure 4 les configurations descharges les plus fréquemment rencontrées sur le réseau routier français. Il importenotamment de faire remarquer la proportion élevée d’essieux tridem à roues simples.

FRÉQUENCES SILHOUETTES ET POIDS POIDS MAXIMUM

(%)MAXIMUM PAR ESSIEU (KN)

(KN)

ESSIEU SIMPLE À ROUES JUMELÉES

30 %

ESSIEU TANDEM À ROUES JUMELÉES

18 %

ESSIEU TRIDEM À ROUES SIMPLES

42 %

10 %

190

400

400

390

It can be observed in figloads per individual axlloads became more freq

This is due to the increvehicles, more particularesult of the ever more commercial vehicle rose

The consequence of thevehicles the loading conof 1970 (sum of damagi

In connection with thfrequently encountered single wheels is worth n

FREQUENCIES

(%)SINGLE AXLE WITH DUAL W

30 %

TANDEM AXLE WITH DUAL W

18 %

TRIPLE AXLE WITH SINGLE

42 %

10 %

Le deuxième exemple retenu est constitué des résultats d’études effectuées enFrance [8] en utilisant un modèle théorique de prévision des profondeurs d’ornière etqui montrent que :

Figure 4 - Composition du trafic commercial (France, 1992)

The second example is formed by the results of studies made in France [8] using atheoretical rut prediction model and showing that:

kN with a triple axle are four times as aggressive in terms ofrries with a dual-wheeled axle. The reason for this lies in thethe use on triple axles of wide-based single tyres inflated to aich reduces the area of load application on the road surface inl tyres;

number of triple axles has changed the shape of ruts into an;

p.19

Figure 4 - Composition of commercial traffic (France, 1992)

- les poids lourds de 400 kN avec un essieu tridem sont quatre fois plus orniérantsque les poids lourds de 190 kN avec un essieu à roues jumelées : la raison de cetteagressivité accrue réside d’une part, dans la plus grande charge et, d’autre part,dans l’utilisation dans les essieux tridem de roues simples à pneu plus large à plusforte pression de gonflage qui exercent donc ainsi à la surface de la chaussée uneaction plus concentrée que dans le cas des roues jumelées,

- l’augmentation du nombre d’essieux tridem a modifié la forme des ornières en leurdonnant un profil en W dissymétrique,

p.18

- heavy lorries of 400rutting as 190 kN loheavier load and in higher pressure, whcomparison with dua

- the increase in the asymmetric W profile

France, where most triple axles were recorded, contains thehad reappeared most markedly.

mes from an American study [9]. It refers to the increasingmage caused by wide-based single tyre. The study is based onerformance of experimental road sections in tests with theacility (ALF) machine.

is that a wide-based single tyre (425/65R22.5) is significantlyonventional flexible structures than a traditional dual tyre5 kN) and contact pressure (0.70 MPa) being equal, a wide-es a greater unit compressive strain in all pavement layers, andtrain at the bottom of the bituminous layer. As a result, the lifee shortened both for cracking and rutting. With the structuresy and a traffic speed of 19 km/h the single tyre led to ruts twicelives (cracking) four times as short, as the dual tire. This isand 6 from ref. [9].

425/65R22.5 Simple / Single

22.5 Simple

11R22.5 Jumelée / Dual

11R22.5 Jumelée / Dual

- l’Est de la France qui voit passer le plus grand nombre d’essieux tridem regroupeles régions qui ont constaté la plus nette réapparition de l’orniérage.

Le troisième exemple qui sera retenu provient d’une étude américaine [9]. Il concerneplus spécialement l’augmentation des dommages liés aux roues simples à pneu largevis-à-vis de la fissuration et l’orniérage. L’étude repose sur l’observation ducomportement de sections routières expérimentales soumises à l’action de l’ALF(Accelerated Loading Facility Machine).

La principale conclusion obtenue est que la roue simple à pneu large (425/65R22.5) estsignificativement plus dommageable pour les structures conventionnelles flexibles que latraditionnelle roue jumelée (11 R22.5). C’est ainsi que pour une même charge (54,5 kN)et une même pression de contact (0,70 MPa), la roue simple à pneu large induit unedéformation unitaire de compression plus élevée dans toutes les couches de la chausséeet un allongement unitaire de traction à la base de la couche bitumineuse également plusélevé. Ces augmentations de déformation entraînent une diminution de durée de vie tantau point de vue de la fissuration que du point de vue de l’orniérage. Pour les structuresconsidérées dans l’étude et pour une vitesse de circulation de 19 km/h, la roue à pneularge conduit à une profondeur d’ornière environ deux fois plus grande que la rouejumelée et à une durée de vie en fatigue (fissuration) quatre fois plus faible que dans lecas de la roue jumelée. C’est ce qu’illustrent les figures 5 et 6 extraites de la réf. [9].

EF

ISS

UR

AT

ION

(m)

CR

AC

KIN

G

11R22.5 Jumelée/Dual425/65R22.5 Simple/Single

- the eastern part ofareas where rutting

The third example cocracking and rutting daobservations of the pAccelerated Loading F

The main conclusion more damaging to c(11R22.5). Load (54.based single tyre induca greater unit tensile sof the pavement will bconsidered in the studas deep, and fatigue illustrated by figures 5

IER

EF

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425/65R/ Single

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11R22.5 Jumelée/Dual

425/65R22.5 Simple/Single

p.21

des roues simples et des roues jumelées sur la fissuration et l’orniérageaccéléré sur l’ALF de la FHWA à Washington D.C. [9]

rative effects of single and dual wheels on cracking and rutting rated test on the ALF of FHWA in Washington D.C. [9]

RO

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ND

EU

RD'O

RN

(mm

)R

UT

DE

PT

H

PPLICATIONS DE LA CHARGE / LOAD APPLICATIONS (1000)D'ÉPAISSEUR D'ENROBÉ BITUMINEUX 178 mm ASPHALT SECTION

p.20

Figure 5 - Effet comparé des roues simples et des roues jumelées sur la fissuration et l’orniérage- Essai accéléré sur l’ALF de la FHWA à Washington D.C. [9]

Figure 5 - Comparative effects of single and dual wheels on cracking and rutting - Accelerated test on the ALF of FHWA in Washington D.C. [9]

PR

O

NOMBRE D'APPLICATIONS DE LA CHARGE / LOAD APPLICATIONS (1000)SECTION AVEC 89 mm D'ÉPAISSEUR D'ENROBÉ BITUMINEUX 89 mm ASPHALT SECTION

Figure 6 - Effet comparé - Essai

Figure 6 - Compa- Accele

P

NOMBRE D'A

SECTION AVEC 178 mm

and refined in a fourth example: a study carried out on theusing a semirigid pavement structure, so that rutting could onlyinous surfacings. Super single and dual wheels were loaded tovely, to allow for the fact that each of the six single wheels on aad than each of the four dual wheels on a tandem axle. With

ntact pressures were 0.67 and 0.57 MPa, respectively. Figure 7uced versus the number of load applications, for bituminousactured with a penetration 50/70 bitumen. Since the loadingach load was applied with two radii to the centre of the track,pted to permit comparison at one and the same travel speed of

the single wheel led to an increase in rut depth 1.6 times thatA lower ratio was found for bituminous mixes more resistant tonufactured with modified binders). On average it may behat when transported on a triple axle, a given load will produceen carried by a tandem axle.

ld be given to demonstrate that traffic has become morefew years, but those presented above clearly illustrate the

V = 6,5 tpmV = 6.5 rpm

V = 3 tpmV = 3 rpm

Ces résultats sont confirmés et précisés par un quatrième exemple relatif à une étuderéalisée sur le manège de fatigue du LCPC [48], sur une structure de chaussée semi-rigide, pour laquelle l’orniérage ne résulte que du fluage des enrobés bitumineux. Lesroues simples et les roues jumelées ont été chargées respectivement à 42,5 kN et65 kN, pour tenir compte de ce que dans un essieu tridem chacune des six rouessimples supporte une charge plus faible que chacune des quatre roues jumelées dansun essieu tandem. La pression de gonflage étant la même, les pressions de contactétaient respectivement de 0,67 MPa et 0,57 MPa. La figure 7 montre les profondeursd’ornières obtenues en fonction du nombre d’applications des charges, pour un bétonbitumineux de 8 cm d’épaisseur réalisé avec un bitume de pénétration 50/70. Lesrayons de circulation des charges étant différents, chaque charge a été appliquée surdeux rayons afin de pouvoir se ramener à une comparaison à une même vitesse de43 km/h. Pendant la période chaude, la roue simple a conduit à une augmentation deprofondeur d’ornière 60 % supérieure à celle créée par la roue jumelée. Pour desenrobés bitumineux ayant une meilleure résistance à l’orniérage (tels que des enrobésà liants modifiés) ce pourcentage est moindre. En moyenne, on peut déduire de cesessais que la même charge transportée sur un essieu tridem ou sur un essieu tandemconduira à une profondeur d’ornière 50 % supérieure dans le cas de l’essieu tridem.

Le nombre d’exemples prouvant l’augmentation de l’agressivité du trafic au cours deces dernières années pourrait être multiplié mais nous pensons que ceux qui ont étéretenus illustrent bien la situation actuelle.

Figure 7 - Effet comparé des roues simples et des roues jumelées sur l’orniérage par fluage - Essai accéléré sur le manège LCPC [48]

Roue jumelée Roue simpleDual wheel Super single wheel

Rayon /Radius = 15.5 m Rayon /Radius = 16.5 m

Rayon /Radius = 18.5 m Rayon /Radius = 19.5 m▲

●

■

✖

➜

These results are confirmedLCPC fatigue test track [48] result from flow of the bitum42.5 kN and 65 kN, respectitriple axle carries a lighter loequal inflation pressures, coshows the rut depths prodconcrete 8 cm thick manufpaths were to be different, eand angular velocity was ada43 km/h. In the hot period produced by a dual wheel. rutting (such as mixes maconcluded from these tests truts 1.5 times as deep as wh

Many more examples couaggressive over the past present situation.

PR

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m)

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m)

On peut déjà conclure que de par son importance l’évolution des conditions de

Figure 7 - Comparative effects of single and dual wheels on flow rutting- Accelerated test on the LCPC track [48]

p.23

NOMBRE DE PASSAGES / NUMBER OF PASSAGES

It can already be concluded that the considerable developments in loading conditionsthe performance of bitumen-paved roads in general andular. This has led technologists to completely reconsider

us courses.

nt-day traffic is such that it must be recognized that alltial part in a bituminous mix and that, although the binder remains an important constituent, increasing use will have of the mineral skeleton to ensure the stability and durability

sollicitation n’a pas été sans influence sur le comportement des chaussées àrevêtement bitumineux et sur le comportement des couches bitumineuses prisesindividuellement. Une telle situation a nécessité de repenser entièrement la questionde la formulation des couches bitumineuses.

L’agressivité du trafic est telle qu’aujourd’hui il faut admettre que dans le cas demélanges bitumineux tous les constituants jouent un rôle essentiel et que si le liant(bitume pur ou bitume modifié) reste un constituant important il faut de plus en plusfaire appel aux qualités du squelette minéral pour assurer la durabilité et la stabilité deces mélanges.

p.22

have not failed to affect bituminous layers in particthe mix design of bitumino

The aggressivity of preseconstituents play an essen(pure or modified bitumen)to be made of the qualitiesof that mix.

. THE MECHANISMS OF PERMANENTDEFORMATION AND CRACKING

IN ROAD STRUCTURES

ODUCTION

ipal distress mechanisms that may affect bitumen-paved roads are, on the permanent deformation mechanisms, the presence of which is revealed byl profile irregularities and especially by transverse profile deformation in the

hs (ruts), and, on the other, cracking mechanisms, which reduce the bearingof the pavement as well as its imperviousness (possible entry of water further loss in bearing capacity).

rse effects of the resulting deficiencies on the comfort and safety of roadke it necessary to design road structures and layers in such a way thatharacteristics do not drop below certain threshold values over the entireservice life of the pavement.

the interaction between the different layers (including the subgrade) of ature subjected to the combined action of traffic and seasonal conditions, thef distress mechanisms must distinguish between the part which can be

to the structure as a whole and the part which can be attributed to thelayers.

II . LES MÉCANISMES DE DÉFORMATIONPERMANENTE ET DE FISSURATION

DES COUCHES BITUMINEUSES

II.1 INTRODUCTION

Les principaux mécanismes possibles de dégradation des chaussées à revêtementbitumineux sont d’une part, les mécanismes de déformation permanente qui, lorsqu’ilsse manifestent, se traduisent par des irrégularités dans le profil longitudinal et surtoutpar une déformation du profil transversal dans les traces des roues (ornières) et,d’autre part, les mécanismes de fissuration qui, lorsqu’ils se produisent, diminuent laportance de la chaussée et son imperméabilisation (possibilité d'entrée d’eau aveccomme conséquence une diminution accrue de la portance).

L’influence gênante de ces désordres sur le confort et la sécurité des usagers fait qu’ilimporte de concevoir des structures routières et des couches constituantes telles queles caractéristiques de surface des revêtements ne descendent pas en dessous decertains seuils pendant toute la durée de service prévue pour la construction.

Vu l’interaction qui existe entre les différentes couches constituantes (sol compris)d’une structure routière soumise à l’action combinée du trafic et des états saisonniers,il s’impose pour l’analyse des mécanismes de dégradation de distinguer la part quipeut être attribuée à l’ensemble de la structure et la part qui peut être attribuée auxcouches prises individuellement.

II

II.1 INTR

The princone hand,longitudinawheel patcapacity leading to

The adveusers masurface cprojected

In view ofroad strucanalysis oascribed individual

Dans le premier cas il s’agit de problèmes structuraux tandis que dans le deuxièmecas il s’agit de problèmes de composition (caractéristiques et dosage desconstituants) et de mise en œuvre.

Nous verrons dans le paragraphe suivant que sur base de l’expérience acquise et

In the former case the problems are structural, whereas in the latter they have to dowith composition (characteristics and mix proportions of constituents) and laying.

We shall see in the next section that structural problems can be solved with thee and knowledge gained to date (design methods accounting for traffic,conditions and the mechanical properties of materials; preventive condition

of composition and laying no longer arise to such an extent as they used to layers underlying the bituminous courses. On the other hand, for the latterted developments in traffic more than ever require careful design and layingt or limit the deficiencies referred to above, especially those resulting fromt deformations in such courses.

p.25

dans l’état actuel des connaissances, les problèmes structuraux peuvent êtremaîtrisés (application de méthodes de dimensionnement tenant compte du trafic, desétats saisonniers et des propriétés mécaniques des matériaux, auscultationspréventives).

Les problèmes de composition et de mise en œuvre ne se posent plus tellement pourles couches supportant les couches bitumineuses. Par contre, ces dernières, vul’évolution du trafic, doivent, aujourd’hui plus que jamais, être conçues et mises enœuvre avec le plus grand soin afin d’éviter ou de limiter les désordres dont question ci-dessus et tout particulièrement ceux qui sont liés à leur propre déformation permanente.

p.24

experiencseasonal surveys).

Problemsdo for thethe reporto prevenpermanen

FORMATION MECHANISMS

made between three permanent deformation mechanismsegularities and especially rutting.

the individual deformation of one or more layers (including thehe bituminous courses, due to load-induced stresses which.

tructural rutting, and the resulting ruts are wide and do nots (V profile).

is the result of the individual deformation of the bituminousinduced stresses exceeding the stability threshold of the

nstability) rutting, and the resulting ruts have humps to theirthe action of dual tyres, and asymmetric under the action of). Flow ruts are most often formed on ascending gradients, on in bends, i.e. where heavy lorries have to reduce speed and

e tyre-pavement contact area are higher.

the result of actual wear of the pavement due to the use of

rutting, and the resulting ruts have a transverse profilediscontinuity.

s may act independently of each other or simultaneously.

II.2 MÉCANISMES DE DÉFORMATION PERMANENTE

Il faut distinguer trois mécanismes de déformation permanente des chaussées àrevêtement bitumineux se traduisant par des irrégularités de surface et toutparticulièrement par la production d’ornières.

Le premier mécanisme est le résultat de la déformation propre d’une ou de plusieurscouches (sol compris) supportant les couches bitumineuses suite à des contraintesexcessives induites par les charges et dépassant la résistance des matériaux.

Il s’agit d’un orniérage de structure et les ornières qui en résultent sont larges etdépourvues de bourrelets latéraux (profil en V).

Le deuxième mécanisme est le résultat de la déformation propre de la ou des couchesbitumineuses suite à des contraintes excessives induites par les charges et dépassantle seuil de stabilité du matériau.

Il s’agit alors d’un orniérage de fluage et les ornières qui en résultent présentent desbourrelets latéraux (profil en W vu l’action des roues jumelées et dissymétrique vul’action des roues simples à pneu large). Les endroits de prédilection de lamanifestation de ce phénomène sont les rampes, les approches de carrefours et lesvirages, c’est-à-dire des endroits où la vitesse de circulation des poids lourds estgénéralement ralentie et où les contraintes tangentielles dans la zone de contact entrele pneu et le revêtement se manifestent davantage.

Le troisième mécanisme est le résultat d’une véritable usure du revêtement suite àl’action des pneumatiques munis de crampons durant les périodes hivernales.

Il s’agit alors d’un orniérage d’usure et les ornières qui en résultent présentent unprofil transversal caractérisé par une nette discontinuité.

Ces trois mécanismes peuvent agir indépendamment les uns des autres ousimultanément.

II.2 PERMANENT DE

A distinction should bewhich lead to surface irr

The first is the result of subgrade) underlying texceed material strength

This is referred to as shave humps to their side

The second mechanismcourse(s) due to load-material.

This is called flow (or isides (W profile under wide-based single tyresjunction approaches andtangential stresses in th

The third mechanism isstudded tyres in winter.

This is termed wear characterized by a neat

These three mechanism

II.2.1 Orniérage de structure

L’orniérage de structure résulte généralement d’un sous-dimensionnement de lachaussée pour les conditions de trafic auxquelles elle est soumise. Il peut aussi être lerésultat de l’emploi de matériaux inadaptés ou présentant des défauts de mise en

II.2.1 Structural rutting

Structural rutting generally occurs in pavements inadequately designed for actualtraffic conditions. It may also be due to the use of unsuitable or incorrectly laid (e.g.poorly compacted) materials, to inadequate drainage, to poor design against freezing

in fact anything that may affect the bearing capacity of thes in the pavement during its projected service life.

this type of distress are at present well known (design methodsds against freezing and thawing, recommendations for the useand for subsoil, subsurface and surface water drainage).

p.27

œuvre (manque de compactage par exemple), d’un drainage insuffisant, d’un sous-dimensionnement vis-à-vis des actions du gel et du dégel, ou, en d’autres mots, detout ce qui peut affecter la portance du sol et des couches constituantes pendant ladurée de service prévue.

Les mesures à prendre pour éviter ce type de désordre sont aujourd’hui bien connues(méthodes de dimensionnement aux charges, méthodes de dimensionnement au gelet au dégel, recommandations pour l’emploi des matériaux, leur mise en œuvre, ledrainage et l’évacuation des eaux).

p.26

and thawing effects - subgrade and the layer

The measures to avoidfor loads, design methoand laying of materials

s probably that of an initially well-designed pavement with trafficore severe than anticipated. The solution called for in this casehich there are design methods that account for the residual

he existing pavement. This bearing capacity is generallye deflection under a known load.

bituminous courses

s to do with mix design rather than structural design. The characteristics of the various constituents, their proportions in

onsidered with a view to controlling this type of distress are theart of this publication and will be discussed in the next few

valid solution in this case is to replace the affected course(s)ials or with materials recycled and corrected on site or in a

pavement is caused by the action of studded tyres in winter. Ity in Nordic countries and the main parameter to be considered

coming less frequent, as the use of studded tyres has beensince the first damage was observed.

CHANISMS

Le cas le plus typique est sans doute celui où une chaussée initialement bien conçuevoit les conditions de trafic auxquelles elle est soumise devenir plus sévères que cellesqui ont été prévues. Dans ce cas, la solution qui s’impose est le renforcement de lachaussée, renforcement pour lequel il existe aussi des méthodes de dimensionnementtenant compte de la portance résiduelle de la chaussée existante, laquelle se déterminegénéralement par la déflexion en surface sous l’action d’une charge bien déterminée.

II.2.2 Orniérage par fluage des couches bitumineuses

Dans ce type d’orniérage il ne s’agit plus d’un problème de dimensionnement destructure mais d’un problème de formulation mettant en jeu les caractéristiques desdivers constituants, leur dosage et la mise en œuvre des mélanges.

Les paramètres à prendre en considération et les solutions pour vaincre ce type dedésordre feront l’objet de la partie principale de cette publication et seront exposésdans les chapitres qui suivent.

Pour ce qui est de la réparation, lorsque de tels cas se produisent, la seule solutionvalable est le remplacement de la ou des couches défectueuses soit par de nouveauxmatériaux, soit par des matériaux recyclés et corrigés en place ou en centrale.

II.2.3 Orniérage par usure

L’orniérage par usure du revêtement résulte de l’action des pneus à crampons utilisésen période hivernale. Il se rencontre plus particulièrement dans les pays nordiques etle paramètre essentiel à prendre en considération est la dureté des granulats.

La manifestation de ce mécanisme est en régression car l’usage des pneus àcrampons a été depuis, soit limité, soit interdit.

II.3 MÉCANISMES DE FISSURATION

The most typical case iconditions becoming mis strengthening, for wbearing capacity of tdetermined from surfac

II.2.2 Flow rutting in

This type of rutting harelevant factors are thethe mix, and laying.

The parameters to be csubject of the main pchapters.

As for repair, the only either with new matercentral plant.

II.2.3 Wear rutting

Rutting by wear of the occurs more particularlis aggregate hardness.

This mechanism is berestricted or prohibited

II.3 CRACKING ME

Il existe quatre mécanismes de fissuration des couches bitumineuses. Il s’agit de :

- fissuration par fatigue suite à la répétition de contraintes (ou déformations) induitespar les charges en circulation,

- fissuration par fatigue suite à la répétition des contraintes (ou déformations)induites par les variations journalières de température,

- fissuration d’origine thermique due à un retrait empêché de la couche bitumineuse,

There are four mechanisms of cracking in bituminous layers:

- fatigue cracking due to repeated stresses (or strains) induced by traffic loads,

- fatigue cracking due to repeated stresses (or strains) induced by daily variations intemperature,

- thermal cracking due to impeded shrinkage of the bituminous layer,

e reflection of cracks from the underlying layer (in semirigiderlays on concrete roads).

ing (loads)

ength of bituminous courses in bending depends on mix and well as on the structure itself (in the case of bridges with

p.29

- fissuration suite à la remontée de fissures présentes dans la couche support (cas deschaussées semi-rigides et des couches de renforcements posées sur routes en béton).

II.3.1 Fissuration par fatigue (charges)

La résistance à la fatigue par traction de flexion des couches bitumineuses dépend dela formulation du mélange, du dimensionnement de la structure et de la structure elle-même (cas des ponts à dalles orthotropes).

p.28

- cracking due to thstructures and in ov

II.3.1 Fatigue crack

The tensile fatigue strstructural design, asorthotropic plates).

acking is the result of repeated unit elongations which mostf layers.

be overcome by an adequate mix and structural design of

ing (variations in temperature)

he same type as the preceding except for the origin of therains). These are produced by periodic - especially daily -, which are joined by load-induced stresses (or strains).

e counteracted by carefully designing the mix, selecting the structure.

age cracking

ountered mainly in very cold climate countries. It leads tod shrinkage of the bituminous layer under suddenly changingure, which may also induce tensile stresses exceeding the

e of cracking depends on mix design and mainly on theder.

racks from the underlying layer

pavements - i.e. pavements in which the road base contains aement-bound graded aggregate, lean concrete) - and in

cement concrete-paved roads.

Elle est le résultat de la répétition d’allongements unitaires agissant, dans la plupartdes cas, à la base des couches.

Ce phénomène peut être vaincu par une formulation et un dimensionnement adéquatsdes couches bitumineuses.

II.3.2 Fissuration par fatigue (variations de température)

Ce mécanisme est du même type que le précédent sauf que l’origine des contraintes(ou déformations) induites est différente. Il s’agit ici de contraintes (ou dedéformations) produites par les variations périodiques de température et toutspécialement par les variations journalières auxquelles s’ajoutent l’influence descontraintes (ou déformations) induites par les charges.

La lutte contre ce phénomène réside dans la formulation du mélange et le choix duliant ainsi que dans le dimensionnement de la structure.

II.3.3 Fissuration de retrait thermique

Ce mécanisme se rencontre surtout dans les pays à climat très froid. Il conduit à unefissuration qui est due à un retrait empêché de la couche bitumineuse suite à unevariation brusque de température pouvant ainsi engendrer des contraintes de tractionqui dépassent la résistance du matériau.

La résistance à ce type de rupture dépend de la formulation du mélange etprincipalement des caractéristiques du liant utilisé.

II.3.4 Remontée de la fissuration de la couche sous-jacente

Ce mécanisme se rencontre dans le cas des chaussées semi-rigides c’est-à-dire, deschaussées où la fondation est constituée d’une couche traitée au liant hydraulique(grave-ciment, béton maigre) et dans le cas de renforcements par une couche

Load-induced fatigue croften act at the bottom o

The phenomenon can bituminous courses.

II.3.2 Fatigue crack

This mechanism is of tinduced stresses (or stvariations in temperature

The phenomenon can bbinder and designing the

II.3.3 Thermal shrink

This mechanism is enccracking due to impedeconditions of temperatstrength of the material.

Resistance to this typcharacteristics of the bin

II.3.4 Reflection of c

This occurs in semirigidcementitious binder (cbituminous overlays on

bitumineuse de chaussées à revêtement en béton de ciment.

La solution à ce problème réside dans la formulation du mélange bitumineux et dansle recours à des dispositifs retardant la remontée des fissures dans les cas deschaussées à restaurer et dans le dimensionnement de la structure (tout particulière-ment celui à la fatigue de la couche à liant hydraulique dans le cas des chaussées

The solution to the problem lies in the design of the bituminous mix and the use ofsystems which slow down the reflection of cracks in the case of pavements to berepaired, and in the design of the structure (in particular the fatigue design of the layerwith a cementitious binder in the case of semirigid pavements), and the use of

own the reflection of cracks - such as metal or polymerterface systems with modified binders in the case of newly.

that the mechanism does not occur in semirigid pavementsed road base under a thick bituminous surfacing (20 cm andn and better protection of the cementitious road base againste by a thicker surfacing are the reasons for this observation.

p.31

semi-rigides) et dans le recours à des dispositifs retardant la remontée des fissurestels que les grilles de renforcement (métalliques, polymères) et les systèmesd’interfaces à base de liants modifiés dans le cas de nouvelles constructions.

Il importe aussi de noter que ce mécanisme ne se manifeste pas dans les chausséessemi-rigides constituées d’une fondation correctement dimensionnée et surmontée dematériaux bitumineux à forte épaisseur (20 cm et plus). Le dimensionnement adéquat etla protection accrue, vu sa plus grande profondeur, de la fondation à liant hydrauliquevis-à-vis des variations de température expliquent les raisons de cette observation.

p.30

systems which slow dreinforcing grids, or inconstructed pavements

It should also be notedwith a correctly designmore). Adequate desigvariations in temperatur

ND DISTRESS MECHANISMSUS LAYERS

n designing bituminous mixes is to appropriately select andent materials so as to optimize resistance to all the distressabove.

ood resistance to flow rutting and good resistance to fatigueflicting.

y rich in bitumen and poor in voids will have a high resistanceability) but a low resistance to rutting (stability). It will generally

ituminous mix rich in aggregate and voids and poor in binder resistance (good stability) but a low fatigue strength (poor

s workable.

said that a compromise has to be sought between theing resistance and those for flow rutting resistance. Force toy the fact that with the practical means used to date against balance has often been wavering between durability and

d stability are indispensable to various degrees, depending onthe road structure; above all it is necessary to look for a mix

he material to be laid while giving it the required properties for

ility is exclusively a mix design problem, whereas durability, on mix design, is more a problem of structural (thickness)

II.4 LA FORMULATION DES MÉLANGES ET LES MÉCANISMESDE DÉGRADATION DES COUCHES BITUMINEUSES

Le problème de la formulation des mélanges bitumineux consiste donc à choisir et àdoser les matériaux qui les composent d’une manière adéquate pour qu’ils résistent lemieux possible à tous les mécanismes de dégradation exposés ci-dessus.

Les garanties d’une bonne résistance à l’orniérage par fluage et d’une bonnerésistance à la fissuration par fatigue peuvent paraître contradictoires.

C’est ainsi qu’un mélange très riche en bitume et à faible pourcentage de videsprésente une bonne résistance à la fissuration par fatigue (bonne durabilité) mais unemauvaise résistance à l’orniérage (faible stabilité). Sa mise en œuvre estgénéralement aisée.

D’un autre côté, un mélange bitumineux riche en granulats, à faible teneur en liant et àhaut pourcentage de vides présente une bonne résistance à l’orniérage (stabilité) maisune mauvaise résistance à la fatigue (durabilité). Sa mise en œuvre est moins aiséeque dans le cas précédent.

D’un point de vue pratique on parle souvent d’un compromis à trouver entre lesexigences en matière de résistance à la fissuration et les exigences en matière derésistance à l’orniérage par fluage. Cette idée est encore renforcée par le fait que dansbeaucoup de cas le balancier a souvent oscillé entre la durabilité et la stabilité parmi lesmoyens pratiques qui ont été mis en œuvre pour lutter contre ces phénomènes.

En fait, qu’il s’agisse de la durabilité ou de la stabilité, les deux qualités étantindispensables à des degrés divers en fonction du rôle joué par la couche dans lastructure routière, il importe avant tout de rechercher la solution dans une formulationqui permette la mise en œuvre des mélanges tout en leur conférant les propriétésrequises aussi bien pour la durabilité que pour la stabilité.

Rappelons encore que la stabilité est exclusivement un problème de formulation etque la durabilité, bien que dépendante de la formulation, est en plus un problème de

II.4 MIX DESIGN AFOR BITUMINO

The primary concern iproportion the constitumechanisms explained

The requirements for gcracking may seem con

For example, a mix verto fatigue cracking (durbe easy to lay.

On the other hand, a bwill have a high ruttingdurability). It will be les

In practice it is oftenrequirements for crackthis thought is added bfatigue and rutting thestability.

In fact both durability anthe role of the layer in design which enables tdurability and stability.

As stated earlier, stabthough also depending

dimensionnement (épaisseur).

Le chapitre III sera plus spécialement consacré aux paramètres régissant lemécanisme d’orniérage par fluage des couches bitumineuses. Il montrera que lesoscillations du balancier mentionnées ci-dessus se sont réduites au cours du temps etqu’il est aujourd’hui possible de résoudre pratiquement les problèmes qui se posenten cette matière.

design.

Chapter III will be devoted more particularly to the parameters governing themechanism of flow rutting in bituminous layers. It will show that the wavering of thebalance referred to above has been reduced with time and that problems in this areacan now be solved in practice.

p.33

p.32

III . MAIN PARAMETERS DETERMININGTHE RESISTANCE OF BITUMINOUS LAYERS

TO FLOW RUTTING

SULTS OF FIELD OBSERVATIONS

d by the generalization of flow rutting in bituminous layers due to externaldiscussed in the General Introduction and in Chapter I, almost all countriesen measures to bring this phenomenon under control.

the means used to determine what measures should be taken has been to and analyse existing roads, in order to identify the fundamental parametersg the flow rutting process from studies of actual performance in practice.

be said that all these investigations [2 to 13] performed on a large number ofhat are used in different climatic regions and often designed according to and changing methods have led to quite similar conclusions clearly showingough the parameters related to the bitumen and the mastic (bitumen + filler)ortant, those related to the other mix constituents (characteristics,

ioning) and to laying (homogeneity of composition, compaction) play anl part as well.

III . IDENTIFICATION DES PRINCIPAUX PARAMÈTRESCONDITIONNANT LA RÉSISTANCE

À L’ORNIÉRAGE PAR FLUAGEDES COUCHES BITUMINEUSES

III.1 RÉSULTATS DES OBSERVATIONS IN SITU

Suite à la généralisation de l’orniérage par fluage des couches bitumineuses pour lescauses extérieures dans l’introduction générale et dans le chapitre I, la quasi-totalitédes pays ont été conduits à prendre des mesures en vue d’enrayer ce phénomène.

Un des moyens mis en œuvre pour la détermination des mesures à prendre a étél’observation et l’analyse de routes réelles afin d’identifier, à partir de l’étude desdifférents comportements rencontrés en pratique, les paramètres fondamentauxrégissant le phénomène d’orniérage par fluage.

Il faut constater que l’ensemble de ces investigations, [2 à 13], concernant un grandnombre de mélanges situés dans des régions climatiques différentes et souventconçus à partir de méthodes différentes et en évolution, conduit à des conclusions toutà fait concordantes mettant très nettement en évidence que si les paramètres liés aubitume et au mastic (bitume + fines) sont importants, des paramètres liés aux autresconstituants (caractéristiques, dosage) et à la mise en œuvre (homogénéité de lacomposition, compactage) jouent aussi un rôle essentiel.

III.1 RE

Promptecauses have tak

One of observegovernin

It must mixes tdifferentthat althare impproportessentia

Ces conclusions sont les suivantes :

1) Utiliser des granulats durs et concassés, de forme aussi cubique que possible etavec un calibre maximum et une micro-rugosité élevée. La résistance àl’orniérage augmente lorsque le pourcentage de faces concassées dans lesgranulats augmente : la différence entre 50 et 100 % se manifeste nettementdans les essais à l’orniéreur [10a].

These conclusions are as follows:

1) Use hard crushed aggregates having a shape as cubical as possible as well as alarge maximum particle size and high microroughness. Resistance to rutting increases with the fractured face count (“crushed content”) of theaggregates; a difference between 50 and 100% can be clearly observed in wheeltracking tests [10a].

se crushed sands while limiting the resort to rounded sands.

se gradings suited to the function required of the bituminous layer whileermitting easy laying without affecting the stability of that layer.

se clean materials.

void overfilling with bitumen (or mastic), as this will dislocate the mineralkeleton.

p.35

2) Utiliser des sables concassés, limiter l’emploi de sables ronds.

3) Utiliser des granularités appropriées à la fonction demandée à la couchebitumineuse et permettant une bonne mise en œuvre sans pour autant affecter lastabilité de cette couche.

4) Utiliser des matériaux propres.

5) Eviter le surremplissage en bitume (ou en mastic) qui disloque le squeletteminéral.

p.34

2) U

3) Up

4) U

5) As

perature susceptibi l i ty of binder and mastic stiffnessbinder and filler, proportioning).

in composition during laying, and compact with care.

s may be added:

sions aim to ensure that the mineral skeleton is stable andng forces, by trying to make the number of contacts per particleion as high and durable as possible. Carefully controlled high-st be used to achieve this;

ls meeting these conditions and the proportions of the differentave a direct influence on the percentage of voids in the minerali.e. the space available for the binder or mastic.

easily understood that it is not advisable to overfill this spaceas the mineral skeleton would loose its effectiveness in and the part of the mix which is sensitive to variations in mastic) would have to play a greater part in resistance to flow

at the degree of filling as determined by the space availableate in the compacted mix plays a capital role. That is also whyving a low percentage of voids are poorly resistant to rutting

ntage results from overfilling - which is all the more tempting aslity and makes it easier to obtain impervious wearing courseserous;

esirable to reduce the role of the binder and the mastic inion and imperviousness of the mix, these constituents withptible properties do contribute by their rigidity to rutting degree of filling is correct. This explains the sixth conclusion

6) Maîtriser la susceptibilité à la température de la rigidité du liant et du mastic(caractéristiques du liant et des fines, dosage).

7) Eviter les variations de composition en cours de mise en œuvre et soigner lecompactage.

Ces conclusions entraînent les commentaires suivants :

- Les quatre premières conclusions visent à assurer une ossature minérale stable etefficace dans la transmission des efforts et ce, en recherchant un nombre de contactspar particule et un frottement entre particules aussi élevés et durables que possible.Cet objectif nécessite l’emploi de matériaux de qualité et soigneusement contrôlés.

- Le choix des matériaux qui remplissent ces conditions et les proportions desdifférentes fractions granulométriques utilisées influencent directement le pourcen-tage de vides dans la fraction minérale du mélange c’est-à-dire, l’espace disponiblepour le liant ou le mastic.

On comprendra aisément qu’il n’est pas indiqué de surremplir cet espace(cinquième conclusion) faute de quoi le squelette minéral perdrait de son efficacitédans la transmission des efforts et la partie sensible aux variations de température(liant, mastic) devrait alors davantage jouer un rôle dans la résistance à l’orniéragepar fluage.

Le taux de remplissage, conditionné par l’espace disponible entre les granulats dumélange compacté joue un rôle capital. C’est aussi ce qui explique pourquoi dansla pratique les mélanges à faible pourcentage de vide présentent une faiblerésistance à l’orniérage par fluage lorsque ce faible pourcentage de vide est lerésultat d’un surremplissage d’autant plus tentant à réaliser qu’il facilite la mise enœuvre et qu’il assure plus facilement l’étanchéité des couches de surface, maiscette facilité est fort dangereuse.

- Même s’il est souhaitable de limiter le rôle du liant et du mastic à assurer lacohésion et l’étanchéité du mélange, ces constituants, dont les propriétés varientavec la température, contribuent malgré tout, de par leur rigidité à la résistance àl’orniérage même dans le cas où le taux de remplissage est correct. Ceci explique

6) Control the tem(characteristics of

7) Avoid variations

The following comment

- the first four conclueffective in transferriand interparticle frictquality materials mu

- the choice of materiasize fractions used hskeleton of the mix,

It will, therefore, be (fifth conclusion), transferring forcestemperature (binder,rutting.

It appears, then, thbetween the aggregin practice mixes hawhen this low perceit increases workabibut this is very dang

- even though it is densuring the cohestemperature-susceresistance when the

la sixième conclusion relative au rôle que doivent jouer ces constituants dumélange qui influencent directement le comportement de celui-ci, tout particu-lièrement lors de la mise en œuvre, mais aussi lors de températures élevées et devariations brusques de température.

- L’homogénéité d’une composition et un compactage efficace (septième conclusion)ne peuvent que contribuer à l’obtention d’une bonne résistance à l’orniérage parfluage. Tout manquement à cette règle entraînerait inévitablement l’apparition

with respect to the part to be played by these constituents, which directly affect theperformance of the mix - especially during laying and under subsequent serviceconditions with high temperatures and sudden changes in temperature;

- homogeneous composition and effective compaction (seventh conclusion) can onlybenefit the resistance of the mix to flow rutting. Any violation of this rule is bound toresult in surface irregularities (transverse and longitudinal unevenness).

ECHANICAL TESTS

ion is to indicate the parameters determining resistance to flown identified through mechanical tests in the laboratory.

p.37

d’irrégularités en surface (unis transversal et longitudinal).

III.2 RESULTATS D’ESSAIS MECANIQUES

Le but de cette partie du chapitre est de mettre en évidence les paramètresconditionnant la résistance à l’orniérage par fluage que les essais mécaniques enlaboratoire ont permis d’identifier.

p.36

III.2 RESULTS OF M

The object of this sectrutting, which have bee

have more details on these tests and the correspondinged to specific publications on the subject, especially those

ral international meetings [14 to 16].

used

ss the resistance of bituminous mixes to flow rutting are mainly:

this test belongs to the category of empirical tests with single not make it possible to determine an intrinsic material property,omplexity of the stress state generated. It leads to the directwo quantities: Marshall flow (mm) and stability (kN);

est: this test ranks among the determination tests with singledeformability test and the simplicity of loading permits thean intrinsic material property, viz. the deformation modulus

p test: this is a determination test with repeated loading tosible and permanent) deformability, with which it is possible totrinsic material properties - resilient modulus (MPa) and thenent deformation (MPa);

g test: this test falls into the category of simulation tests withg. Some loading conditions found in actual service areut the complexity of the procedure does not allow for then intrinsic material property. The test enables the progress of

oad repetition to be monitored under the imposed conditions;

plitting) tensile test: this test was initially ranked among theith single loading, but tends to be considered as a test to

dulus in single or repeated loading.

Le lecteur qui serait intéressé par une description plus détaillée de ces essais et desmodes opératoires correspondants est invité à se référer aux publications spécifiquesà cette question et tout particulièrement à celles qui ont été présentées lors deplusieurs réunions internationales [14 à 16].

III.2.1 Principaux essais utilisés

Les principaux essais de laboratoire utilisés pour juger la résistance à l’orniérage parfluage des mélanges bitumineux sont :

a) L’essai Marshall : cet essai rentre dans la catégorie des essais empiriques àchargement unique qui, vu la complexité des sollicitations engendrées, ne permetpas la détermination d’une propriété intrinsèque du matériau. Il conduit à ladétermination directe de deux grandeurs : le fluage (mm) et la stabilité Marshall (kN).

b) L’essai de fluage statique : cet essai rentre dans la catégorie des essais dedétermination à chargement unique. Il s’agit d’un essai de déformabilité et lasimplicité de la sollicitation permet la détermination d’une propriété intrinsèque dumatériau qui est le module de déformation (MPa).

c) L’essai de fluage dynamique : cet essai rentre dans la catégorie des essais dedétermination à chargements répétés ; il s’agit d’un essai de déformabilité(réversible et permanente) qui permet la détermination de propriétés intrinsèquesdu matériau qui sont le module de déformation réversible (MPa) et le module dedéformation permanente (MPa).

d) L’essai à l’orniéreur : cet essai rentre dans la catégorie des essais de simulation àchargement répété. La sollicitation approche certaines sollicitations rencontrées in situmais vu la complexité du procédé il ne permet pas la détermination d’une propriétéintrinsèque du matériau. Il permet de suivre, pour les conditions de sollicitationsutilisées, l’évolution de la déformation en fonction de la répétition des charges.

e) L’essai de compression diamétrale : cet essai rentrait autrefois dans la catégoriedes essais empiriques à chargement unique mais on tend à le considérer commeun essai de détermination du module et ce sous un chargement unique ou sous

Readers wishing to procedures are referrpresented during seve

III.2.1 Principal tests

The tests used to asse

a) the Marshall test:loading and doesbecause of the cdetermination of t

b) the static creep tloading. It is a determination of (MPa);

c) the dynamic creeinvestigate (reverdetermine two inmodulus of perma

d) the wheel trackinrepeated loadinapproximated, bdetermination of adeformation with l

e) the indirect (or sempirical tests wdetermine the mo

un chargement répété.

L’utilisation de ces essais dans le cadre de l’étude de la résistance à l’orniérage parfluage des mélanges bitumineux confirme qualitativement les conclusions tirées desobservations faites in situ (voir section III.1).

Les principaux problèmes qui se posent sont d’une part, la préparation des

When used to study the resistance of bituminous mixes to flow rutting, these testsprovide qualitative evidence to conclusions from field observations (see section III.1).

The main problems which arise have to do with sample preparation and with loadingucing those encountered in the field, which makes it difficult tontitative interpretation.

tests are useful tools to compare alternative mix compositionsint of view; in addition, determination tests provide access tooperties which can be used in theoretical and semitheoreticaln models.

p.39

éprouvettes et, d’autre part, les sollicitations mises en œuvre qui ne reproduisent pasles conditions rencontrées in situ ce qui, dès lors, rend difficile l’exploitationquantitative des résultats obtenus.

Ces essais constituent néanmoins des outils pour la comparaison qualitative desdifférentes compositions possibles avec en plus, pour les essais de détermination, lapossibilité d’avoir accès à certaines propriétés intrinsèques des mélanges pouvantêtre utilisées dans des modèles prévisionnels, théoriques et semi-théoriques, decomportement.

p.38

conditions not reproduse the results for qua

Nevertheless, these from a qualitative posome intrinsic mix prperformance predictio

oted that some tests (in particular the Marshall test) have beenn methods to decide what compositions should be used on site.one should be concerned about the extent to which the mixtory is representative of the mix that will be laid on the road, andehaviour observed in the laboratory reflects actual field

glect in this respect may result in failure.

ts, accelerated full-scale tests are worth noting. There are moretest facilities in the world; examples are the circular test tracks atn Madrid ,CEDEX [18] and in Zurich ,IFT [19], as well as the used by FHWA in Washington D.C. [9]. They make it possible

NOMBRE DE CYCLES / NUMBER OF CYCLES (X 10-3)

Notons encore que plusieurs de ces essais (en particulier l’essai Marshall) font partiede méthodes de formulation à partir desquelles on décide des compositions à mettreen œuvre sur chantier. Lors d’une telle utilisation des essais il importe donc de sesoucier d’une part, de la représentativité du mélange préparé en laboratoire vis-à-visdu mélange qui sera réellement réalisé et, d’autre part, de la représentativité ducomportement observé en laboratoire vis-à-vis du comportement réel. La non-observation de cette remarque peut conduire à bien des déboires.

En plus des essais de laboratoire, il faut citer les essais accélérés en vraie grandeur. Ilexiste plus de vingt installations dans le monde et nous mentionnerons ici à titred’exemples le manège de Nantes, LCPC [17], de Madrid, CEDEX [18], de Zurich, IFT[19] et l’installation australienne également utilisée par la FHWA à Washington D.C.[9]. Ils permettent la sollicitation de structures routières complètes construites etchargées comme des routes réelles (matériaux, équipements, charges). Les objectifsgénéralement poursuivis sont la comparaison du comportement de différents types dematériaux, de l’influence des différentes techniques de construction, de différents

Figure 8 - Déformation permanente de plusieurs structures de chaussées souples,obtenues sur l’installation d’essais accélérés du CEDEX à Madrid

Figure 8 - Permanent deformations obtained in various flexible pavement structureson the CEDEX accelerated test facility in Madrid

➜

It should further be nincluded in mix desigIn such applications prepared in the laboraabout how far the bperformance. Any ne

Besides laboratory testhan twenty full-scale Nantes, LCPC [17], iAustralian ALF facility

PR

OF

ON

DE

UR

D'O

RN

IER

E/ R

UT

DE

PT

H

d (m

m)

modes de chargements. Nous avons déjà présenté des résultats obtenus sur lemanège de Nantes, LCPC (voir Chapitre I, figure 7 - influence roue simple à pneularge et influence roue jumelée sur l’orniérage). Nous terminerons à titre illustratif cetexemple par des résultats obtenus sur le Manège de Madrid, CEDEX (figure 8) et quisont relatifs à la comparaison de la résistance à l’orniérage de six sections routièresse différençiant par la structure et l’épaisseur de la couche bitumineuse (Sections 1, 2

to test full road structures constructed and loaded like actual roads (materials,equipment, loads). The object is most often to compare the performance of differenttypes of material, or the effects of different construction techniques or loading modes.The results obtained on the LCPC test track at Nantes have been presented already(see Chapter I, figure 7 : the effects of super single wheels and dual wheels onrutting). They may be complemented by an example of results obtained on the

adrid (figure 8) when comparing the resistance to rutting of six in structure and in thickness of bituminous surfacing (sectionsuncrushed granular sub-base, 25 cm of crushed granular road10 cm (respectively) of bituminous surfacing; sections 4, 5 andse, 25 cm of crushed granular base, and 18, 15 and 12 cminous surfacing). In this experiment it is, however, not possible in the bituminous material from permanent deformation ruttinglar layers and the subgrade, the experiment being primarily

pavement structure as a whole.

p.41

et 3 : sous-fondation granulaire non concassée, 25 cm ; fondation granulaireconcassée, 25 cm ; couche bitumineuse respectivement 15, 12 et 10 cm. Sections 4,5 et 6 : absence de sous-fondation granulaire ; fondation granulaire concassée, 25 cm; couche bitumineuse respectivement 18, 15 et 12 cm). Dans cette expériencecependant l’orniérage par fluage de l’enrobé bitumineux ne peut être séparé del’orniérage par déformation permanente des couches granulaires non liées et du sol,la conception du plan d’expérience visant à étudier avant tout la structure de lachaussée dans son ensemble.

p.40

CEDEX test track in Mroad sections differing1, 2 and 3: 25 cm of base, and 15, 12 and 6: no granular sub-ba(respectively) of bitumto separate flow ruttingin the unbound granudesigned to study the

nce of specimen preparationg the field performance of mixes

o assess how a bituminous mix will perform in the field whenned action of loads and climatic factors involves the preparationtest results are to guarantee success, these specimens mustas possible to the mix as it will actually be laid. For a given mixence can only be achieved if the method of compaction in thes from that used on site (except for accelerated full-scale tests),rrangement of the mix constituents as obtained by field

hanical test cannot be dissociated from the way specimens arece the arrangement of mix constituents comes into play, mix

nsider volumes and not masses (volume occupied by thetic, by the binder; volume of voids in the aggregate; volume of mix; etc.).

nce of the concept of composition by volume, the main relevantded here:

%) = 100 Vb - Vm(1)

Vbentage of voids in the specimen, volume of the specimen,me occupied by the same mass without voids.

(%) = 100 Va(2)

Vbee of compaction of the aggregate,me of aggregate.

(%) = 100 . Vm - Va(3)

III.2.2 Importance de la fabrication des éprouvettespour la prévision du comportement in situ des mélanges

L’exécution d’un essai mécanique en laboratoire en vue de juger du futur comportement d’unmélange bitumineux lorsqu’il sera posé in situ et soumis à l’action combinée des charges etdes effets climatiques nécessite la fabrication d’éprouvettes. Une condition nécessaire pourque les résultats obtenus à partir de ces essais offrent une garantie de réussite est que leséprouvettes soient aussi conformes que possible au mélange qui sera réellement mis enœuvre. Pour une formule de composition donnée, cette conformité ne peut être atteinte quesi le mode de compactage en laboratoire, qui est différent de celui utilisé sur chantier (saufdans le cas des essais accélérés en vraie grandeur), conduit au même arrangement desconstituants du mélange que celui qui résultera du compactage sur chantier.

Ceci implique d’une part, que l’essai mécanique ne peut être dissocié du mode defabrication des éprouvettes et que, d’autre part, puisqu’il s’agit de l’arrangement desconstituants du mélange, il importe, en matière de formulation, de considérer desvolumes et non pas des masses (volume occupé par les granulats, volume occupé parle mastic, volume occupé par le liant, volume des vides entre les granulats, volumedes vides du mélange compacté, etc.).

Vu l’importance de la notion de composition volumique nous rappelons ci-après lesprincipales formules qui s’y rapportent :

v (%) = 100 Va - Vm(1)

Vaoù : v (%) = pourcentage des vides dans l’éprouvette,

Va = volume apparent de l’éprouvette,Vm = volume qu’occuperait la même masse si les vides étaient éliminés.

Cg (%) = 100 Vg(2)

Vaoù : Cg (%) = compacité des granulats,

Vg = volume des granulats.

vb (%) = 100 . Vm - Vg(3)

III.2.2 The importafor predictin

Any mechanical test tsubjected to the combiof specimens. If the correspond as largely design this correspondlaboratory, which differleads to the same acompaction.

This means that a mecprepared and that, sindesigners should coaggregate, by the masvoids in the compacted

Because of the importaformulas may be remin

v (

where: v (%) = percVb = bulkVm = volu

Ca

where: Ca (%) = degrVa = volu

vb

Va - Vg

où : vb (%) = pourcentage de vides occupé par le bitume.

Notons que les paramètres Cg, vb, et v ne sont pas indépendants ; ils sont liés par lesrelations :

Vb - Vawhere: vb (%) = percentage of voids occupied by the bitumen.

It should be noted that parameters Ca, vb and v are not independent; they are relatedas follows:

(%) = (100 - Ca (%)) .100 - vb (%)(4)

100

(%) =B . Ma . Ca (%) (5)Mb 100 - Ca (%)

density of the aggregate, density of the bitumen,er content by mass.

p.43

v (%) = (100 - Cg (%)) . 100 - vb (%)(4)

100

vb (%) =L . Mg . Cg (%) (5)Ml 100 - Cg (%)

où : Mg = masse volumique réelle des granulats,Ml = masse volumique réelle du bitume,L = teneur pondérale en liant.

p.42

v

vb

where: Ma = trueMb = true

B = bind

onstrated at present that among the compaction proceduresratory, that making use of the gyratory shear compactor besttated above [20 to 22].

e gyratory shear compactor

compaction is as follows: the mix is enclosed by a cylindricalplied to the head of the mould; the axis of the mould is at anl and its rotation produces a kneading effect compacting the mix.

represented by a curve showing loss in voids content versusber of rotations.

lies in the demonstrated fact [20 to 22] that it is possible to of voids in the mix which will be obtained on site. Thisver, allow for layer thickness, as compaction is more effectivehas been shown in France LCPC [21] - for the methods andountry - that the percentage of voids which will be obtained ontained in the test after a number of rotations equal to layer

e after compaction in the gyratory shear compactor isfter a number of rotations which increases with the cumulative

the material; this is to prevent that overcompaction by heavyids content in the mix to a value that leads to instability.

that the shape and slope of the curve determined from the testors: a steep curve is indicative of good stability.

tory shear compactor [20] there are also a TEXAS gyratoryP-modified compactor [22], as well as a Finnish gyratory shear

Parmi tous les modes de compactage utilisés en laboratoire il est clairement démontréaujourd’hui que l’un de ceux qui remplit le mieux les conditions exposées ci-dessusest celui qui est effectué à l’aide de la presse à cisaillement giratoire [20 à 22].

III.2.3 Principe de la presse à cisaillement giratoire

Le principe du compactage giratoire est le suivant : le mélange est mis dans un moulecylindrique ; une pression est appliquée à l’extrémité du moule ; l’axe du moule fait un anglede 1° avec la verticale et sa rotation crée un effet de pétrissage qui compacte le mélange.

Le résultat de l’essai se traduit sous la forme d’une courbe qui donne la diminution dela teneur en vides en fonction du logarithme du nombre de rotations.

Son intérêt réside, dans le fait qu’il a été démontré [20 à 22] qu’il était possible deprévoir le pourcentage de vides du mélange qui sera obtenu sur chantier. Cetteprévision doit toutefois tenir compte de l’épaisseur de la couche car le compactage estplus eff icace dans le cas de couches épaisses. C’est ainsi qu’en France LCPC - [21], il a été montré que, pour les méthodes et l’équipement utilisés dans cepays, le pourcentage de vides qui sera obtenu sur chantier est égal au pourcentagede vides obtenu dans l’essai après un nombre de rotations égal à l’épaisseur de lacouche exprimée en mm.

La détermination de la composition volumique après compactage à la presse àcisaillement giratoire est parfois effectuée après un nombre de rotation croissant avecle trafic cumulé que devra supporter l’enrobé : on vise ainsi à faire en sorte que lesurcompactage dû au trafic lourd ne conduise pas la teneur en vides de l’enrobé à unevaleur trop faible qui entraînerait son instabilité.

Ajoutons encore que la forme et la pente de la courbe obtenue lors de l’essai sont desindicateurs de performance : une courbe à pente forte est le signe d’une bonne stabilité.

En ce qui concerne l’équipement, signalons qu’en plus de la presse à cisaillementgiratoire du LCPC [20], il existe aussi un compacteur giratoire TEXAS et un

It has been clearly demimplemented in the labosatisfies the conditions s

III.2.3 Principle of th

The principle of gyratorymould; a pressure is apangle of 1° to the vertica

The result of the test isthe logarithm of the num

The interest of the testpredict the percentageprediction should, howeon thicker lifts. Thus it equipment used in that csite agrees with that obthickness in mm.

Composition by volumsometimes determined atraffic to be carried by traffic may reduce the vo

To this it may be added are performance indicat

Besides the LCPC gyracompactor and an SHR

compacteur modifié SHRP [22], une presse à cisaillement giratoire finlandaise et unepresse à cisaillement australienne.

III.2.4 Contribution des essais mécaniques de détermination à la compréhension du mécanisme d’orniérage par fluage

Ce paragraphe concerne plus spécialement l’aspect des recherches qui sont

compactor and an Australian shear compactor.

III.2.4 The contribution of mechanical teststo understanding the flow rutting mechanism

This relates to the particular aspect of research conducted with a view to controlling by establishing laws of material behaviour.

where to look for possibilities to improve mix compositions, bys which it is useful to measure in order to prevent or reduce thehanisms and by clearly indicating the measures to be taken inall object (durability and stability).

p.45

effectuées en vue de maîtriser le phénomène d’orniérage par fluage à partir del’établissement de lois de comportement des matériaux.

De telles lois contribuent à mieux tracer le chemin à suivre dans la recherche desmeilleures compositions en précisant notamment les grandeurs utiles à mesurer pourempêcher ou limiter la manifestation des effets des mécanismes de dégradation et enprécisant mieux les mesures à prendre pour atteindre cet objectif global (durabilité etstabilité).

p.44

the flow rutting process

Such laws help to showspecifying the quantitieeffects of distress mecorder to attain this over

esults from the dynamic creep test (repeated compression) are. [23] (Belgian Road Research Centre).

specimen is subjected to a lateral pressure, σ3, which is keptof intensity has been selected, and to a vertical pressure on its is a periodic function of time:

σ = σ1 (1 + cos ωt)

ith the permanent vertical deformation of the specimen, as follows:

A / (σ1 - σ3) where:

tical deformation of the specimen after 1,000 s. This functionensions of the reciprocal of a modulus and can be assimilatedermanent deformation modulus of the mix, 1/Ep.

] ) resulting from a study on five mixes with widely differente I), which were subjected to some hundred tests at variousng frequencies, shows that 1/Ep is all the more sensitive to the of the complex modulus) as | E* | is lower.

115 x (σ1 - σ3 )

| E* |

ble pour :e of validity:

< (σ1 - σ3) < 0,5 [m2/MN]

Mélange n°Mix No.

● 56❍ 59✛ 66✕ 67

68

Pour illustrer ce point de vue d’une manière générale nous reprendrons ci-dessousquelques résultats obtenus à partir de l’essai de fluage dynamique (compressionrépétée) et tirés de la réf. [23] (CRR - Belgique).

Dans cet essai, une éprouvette cylindrique est soumise, sur sa surface latérale, àl’action d’une pression σ3 qui, une fois son niveau d’intensité choisi, est maintenueconstante dans le temps et, sur sa base supérieure, à l’action d’une pression verticaleσ qui est une fonction périodique du temps de la forme :

σ = σ1 (1 + cos ωt)

A la déformation permanente verticale de l’échantillon est associée une fonction de laforme :

A / (σ1 - σ3) où :

A est la déformation permanente verticale de l’échantillon après 1 000 secondes.Cette fonction a donc les dimensions de l’inverse d’un module et peut être assimilée àl’inverse du module de déformation permanente du mélange 1/Ep.

La figure 9 extraite de la réf. [23] obtenue suite à l’étude de cinq mélanges couvrantune large gamme de composition (voir tableau I) et sur lesquels furent exécutésquelque 100 essais correspondant à des températures et des fréquences desollicitation différentes montre que la sensibilité de 1/Ep vis-à-vis du module | E* |(module du module complexe) est d’autant plus grande que | E* | est faible.

Taille max. Max. size (φmm) (φmm)32 32 32 32 16

N° du mélange 56 79 66 67 68 No. of mix

TABLEAU I TABLE IComposition et caractéristiques des mélanges

Mix compositions and characteristics

To illustrate this, a few rreported below from ref

In this test a cylindricalconstant once its level upper surface, σ, which

A function is associated w

A is the permanent verhas, therefore, the dimto the reciprocal of the p

Figure 9 (from ref. [23compositions (see tabltemperatures and loadi| E* | modulus (modulus

A =

valarang

0,05

Compositionenpoids

Compositionen

Compositionbymass

Compositionby

% pierres% sable% filler% liant

VG granulatsVL liant

% stone% sand% filler% binder

VA aggreg.VB binder

5538

76,1

81,613,4

5538

76,1

81,613,4

603194,7

82,110,1

7618,5

5,53,8

76,27,8

4048126

82,811,2

p.47

ence du module | E* | et des contraintes sur le paramètre AEffect of the | E* | modulus and stresses on parameter A

p.46

volume volumev videsVG/VL

v voidsVA/VB

56,08

56,08

7,87,91

169,77

67,39

Bitumes pénétration 57 97 97 97 42 penetration Bitumenscoefficient J 0,349 0,429 0,429 0,429 0,321 coefficient J

Note : J = d log pen , susceptibilité à la déformation permanente

d log t susceptibility to permanent deformationFigure 9 - Influ

Figure 9 -

ded that there is a relation between the capability of a mix to* | modulus; the shape of the curve shows that the stability ofdecreases rapidly (1/Ep increases rapidly) when the resilient certain threshold value.

ruts in bituminous layers sooner appear in low traffic speedenomenon occurs mainly, and sometimes very rapidly, in hot these are the conditions under which the | E* | modulus is curve in figure 9).

ound by D. Brien [24], who was able to demonstrate thatpended on Marshall stiffness (stability/flow ratio) as measured existing roads. Figure 10 illustrating this result also shows thatdecreases rapidly when its stiffness drops below a certain

d by measurements carried out in Japan (figure 11, [1] )

n figures 9, 10 and 11 lead to the conclusion that the “rigidity” ofture susceptibility of this characteristic are indirect measures ofg.

Teneur en bitume / Bitumen content-0,5%/ normal-0,5% normale / normal

ERE / RUT DEPTH)

On peut donc conclure à l’existence d’une relation entre l’aptitude d’un mélange àrésister à l’orniérage et son module | E* | ; la forme de la courbe montre que lorsque lemodule | E* | descend en dessous d’un certain seuil, la stabilité du mélange (valeurde Ep) chute rapidement (1/Ep augmente rapidement).

Ceci explique pourquoi les lieux de prédilection de l’apparition du phénomèned’orniérage par fluage des couches bitumineuses correspondent à des zones à plusfaible vitesse de circulation et que ce phénomène se manifeste principalement etparfois en un temps très court pendant les périodes chaudes car c’est dans ces

Figure 10 - Profondeur d’ornière en fonction de la rigidité Marshall (S/F) [24]Figure 10 - Rut depth versus Marshall stiffness (S/F) [24]

● Gussasphalt✛ Hot Rolled Asphalt

Béton bitumineuxMacadam à bitume

GussasphaltHot Rolled Asphalt

Bituminous concreteBitumen macadam

PR

OF

ON

DE

UR

D'O

RN

IER

E/ R

UT

DE

PT

H

d (m

m)

RIGIDITÉ MARSHALL / MARSHALL STIFFNESS (S/F) [kgf/mm]

Hence it can be concluresist rutting and its | Ethe mix (value of Ep) modulus drops below a

This explains why flowareas and why the phweather periods, sincelowest (rising part of the

A similar result was fobserved rut depth deon samples taken fromthe stability of a mix threshold value.

This is further confirme

The results presented ia mix and the temperaresistance to flow ruttin

normale

PROFONDEUR D'ORNId (mm

conditions que le module | E* | est le plus faible (partie ascendante de la courbe de lafigure 9).

Un résultat analogue a été obtenu par D. Brien [24] qui, à partir de la mesure de larigidité Marshall (rapport : stabilité/fluage) effectuée sur des éprouvettes prélevéesdans des routes réelles, a montré que la profondeur d’ornière constatée dépendait decette rigidité. La figure 10 relative à ce résultat montre ici aussi que la stabilité d’un

p.49

ofondeur d’ornière en fonction de la rigidité Marshall (S/F) [1]re 11 - Rut depth versus Marshall stiffness (S/F) [1]

RAPPORT STABILITÉ/FLUAGE / STABILITY/FLOW RATIOS/F (kg cm-1 x 100)

mélange chute rapidement lorsque la rigidité du mélange descend en dessous d’uncertain seuil.

Des mesures effectuées au Japon confirment également ce résultat (figure 11, [1] ).

Les résultats présentés sur les figures 9, 10 et 11 conduisent à conclure que lamesure de la “rigidité” d’un mélange et de la susceptibilité de cette grandeur à latempérature sont des mesures indirectes de la résistance à l’orniérage par fluage dece mélange.

p.48

Figure 11 - PrFigu

III.2.5 Synthèse

Le phénomène d’orniérage par fluage des mélanges bitumineux prend sales avantages considérables que ce type de matériau a apporté à laroutière(couche imperméable protégeant la structure des effets néfasmise en œuvre relativement aisée) et sans doute aussi dans la tendancque l’on a eu à considérer ces avantages comme définitivement accompter sans l’augmentation importante et par paliers de l’agressivité dula difficulté qu’il y a toujours de s’adapter à une situation en évolution rapi

Cependant l’expérience montre que malgré les conditions sévères de est toujours possible aujourd’hui de réaliser des mélanges bitumineux pcondition d’utiliser au maximum l’apport de chacun des constituants ainles interactions favorables qui peuvent exister entre eux (frottement envides entre les granulats, consistance du mélange bitume + fines etc.).

En d’autres termes, il est indispensable de choisir les constituants et judicieusement, de procéder à des fabrications homogènes et à des missoignées. C’est dire toute la nécessité qu’il y a de procéder à une étude det à la vérification des résultats de celle-ci par un ou plusieurs essais mlaboratoire.

p.50

tting in bituminous mixes had their source in the considerabley these materials for road construction (impervious surfacing

nt structure from the damaging effects of water, relative ease oflso in people thinking too soon that these advantages had beenn doing so they did not reckon with a considerable gradualessivity or with the invariable difficulty of adapting to a rapidly

has shown that even under severe loading conditions it is atle to make bituminous mixes that perform well, provided thate of the contributions of each of the constituents and of anys that may exist between them (friction between aggregateggregate, consistency of the bitumen-filler system, etc.).

tuents must be properly selected and judiciously proportioned,ade as homogeneous as possible and laid with care. All this of making a mix design study and verifying its results throughal tests in the laboratory.

source dans constructiontes de l’eau,e trop rapidequis. C’était

trafic et sansde.

sollicitation, ilerformants àsi que toutestre granulats,

de les doseres en œuvree formulationécaniques de

III.2.5 Synthesis

Problems with flow ruadvantages held out bprotecting the pavemelaying) and probably aacquired for good. Iincrease in traffic aggrchanging situation.

However, experience present always possibmaximum use is madbeneficial interactionparticles, voids in the a

In other words, constiand mixes must be mpoints to the necessityone or more mechanic

p.51

ANALYTIC APPROACH TO DEVISINGMEASURES TO ENSURE

TABILITY OF BITUMINOUS MIXES -IMIZATION OF COMPOSITIONS

F MIX TO BE CONSIDERED

s manufactured in practice can be divided into three major categories:ny skeleton, mixes with a sandy skeleton, and mixes with a filler

ny skeleton are characterized by a high content of coarse aggregaterticles larger than 2 mm): at least 70% by mass of the dry aggregate.

tresses are transferred mainly through the coarse aggregate and they” mix depends above all upon the nature and the quality of contacts

ggregate. The other mix constituents should be selected ands to keep the stony structure intact.

sandy skeleton the basic structure is formed by the sand, and directly on the arrangement of the grains and on interparticle friction.

uld be further distinguished into mixes with a chiefly sandy skeleton sandy and stony skeleton.

IV . APPROCHE ANALYTIQUE DES DISPOSITIONS À PRENDRE POUR ASSURER

LA STABILITÉ DES MÉLANGES BITUMINEUX.OPTIMISATION DES COMPOSITIONS

IV.1 TYPES DE MÉLANGES À CONSIDÉRER

Les mélanges bitumineux réalisés en pratique peuvent être classés en trois grandescatégories : les mélanges à squelette pierreux, les mélanges à squelette sableux etles mélanges à squelette de fines.

Les mélanges à squelette pierreux se caractérisent par une teneur élevée enpierres (éléments supérieurs à 2 mm), teneur d’au moins 70 % en poids du granulatsec.

La transmission des contraintes induites par le trafic se fait principalement au traversdes pierres et la stabilité d’un tel mélange dépend avant tout de la nature et de laqualité des contacts entre pierres. Le choix et le dosage des autres constituantsdoivent être tels qu’ils maintiennent intact l’édifice pierreux.

Dans les mélanges à squelette sableux le sable constitue l’ossature principale dumélange et la stabilité est une fonction directe de l’empilement des grains et de leurfrottement.

Parmi les mélanges à squelettes sableux il faut encore distinguer les mélanges àsquelette essentiellement sableux et les mélanges à squelette de sables et de pierres.

IV . AN

THE SOPT

IV.1 TYPES O

Bituminous mixemixes with a stoskeleton.

Mixes with a stoor “stone” (i.e. pa

Traffic-induced sstability of a “stonbetween that aproportioned so a

In mixes with astability depends

These mixes shoand mixes with a

Dans le premier cas la teneur en pierres varie de 0 à 45 % en masse. Il s’agitprincipalement de couches d’usure à 25 - 45 % de pierres (par exemple le hot rolledasphalt) et des couches de fondation et de sous-fondation où la teneur en pierres peutêtre nulle (par exemple le sable -bitume). Le mortier (sable + fines + bitume) joue iciun rôle plus important que dans les autres types de mélanges et vu l’importance de sateneur en volume il doit être stable, mais dans le cas des couches d’usure il doit aussi

The former have coarse aggregate contents ranging from 0 to 45% by mass. Theyare mainly used in wearing courses with 25 to 45% of coarse aggregate (e.g. hot-rolled asphalt) and in road bases and sub-bases with coarse aggregatecontents as low as zero (e.g. sand asphalt). The mortar (sand + filler + bitumen) playsa greater part than in other mix types; because of its high content by volume it must bestable while allowing surface treatment by chipping in the case of wearing courses;

coarse aggregate contents ranging between 45 and 65% (wearingven between 65 and 70% (base courses, road bases and sub-bases).the “classic” Belgian asphalt concretes (wearing courses and roadench “semi-grenus” (wearing courses), the Anglo-Saxon “Marshall”es (wearing courses, mainly for airfields), dense bituminous mixes (foroad bases and sub-bases), the French “graves-bitume”, and the Britishms”.

p.53

permettre le cloutage.

Dans le deuxième cas la teneur en pierres varie de 45 à 65 % (couches d’usure) etmême de 65 à 70 % (couches de liaison, de fondation, de sous-fondation). Il s’agit icipar exemple des bétons asphaltiques belges “classiques” (couches d’usure et defondation), les “semi-grenus” français (couches d’usure), les bétons asphaltiques“Marshall” anglo-saxons (couches d’usure surtout pour aérodromes) les enrobésdenses (couches de liaison, de fondation, de sous-fondation), les “graves-bitume”françaises et les “dense macadam ” britanniques.

p.52

The latter havecourses) and eExamples are bases), the Frasphalt concretbase courses, r“dense macada

skeleton it is necessary to avoid dislocating the grains, as thisstresses induced to the mixture of bitumen and filler (i.e. thection should, therefore, be graded so as to create a volume ofssible to incorporate a volume of mastic of adequate quality tosure durability without dislocating the skeleton. The volume ofbe considered as the actual binder in this case - should voids in the grain structure, without exceeding it (“overfilling”).

ture, an indirect measure of the capability of a sand or sandual part in resistance to flow rutting can be obtained from the be discussed further in chapter VI on mix design.

leton are very close-graded. They are constructed around the filler (“mastic” mixes).

one of the first compositional parameters to be set is the ratiogate and sand(s). The relevant criteria are of two sorts: for mixare related to the function which the material is to perform in thering course, base course, road base, sub-base) and thervice conditions (traffic, structure of the pavement, special

manufacturers they are often partially or totally defined or evendocuments.

RATION OF MECHANICAL PROPERTIES

ill be obvious how important it is to design a bituminous mix ins to play in the road structure. The design will be differentthe mix is to be used as a wearing course, road base or sub-

l interest of the results of mechanical tests carried out for

Dans les mélanges à squelette sableux il faut éviter la dislocation des grains qui feraitsupporter au mélange bitume + fines (mastic) toutes les contraintes induites. Il importedonc de réaliser, pour la fraction sableuses, une granularité qui crée un volume devides tel qu’il permette l’incorporation d’un volume de mastic de qualité adéquate quiassure l’enrobage et la durabilité sans disloquer le squelette. Le volume de mastic quel’on peut considérer ici comme le liant effectif, doit être voisin de celui des vides del’ossature sans les surremplir.

En ce qui concerne l’ossature, une mesure indirecte de la capacité d’un sable ou d’unmélange de sables à jouer un rôle efficace dans la résistance à l’orniérage par fluagepeut être obtenue à l’aide de l’essai d’écoulement [25] sur lequel nous reviendronsdans le chapitre VI consacré à la formulation.

Les mélanges à squelette de fines sont des mélanges très fermés construits autourdu mélange bitume + fines. Il s’agit notamment des mélanges dits “coulés”.

On voit donc qu’en matière de composition l’un des premiers paramètres à fixer est lerapport pierres/sables. Les critères retenus pour ce choix sont de deux ordres : pourl’auteur de projet, les critères sont liés à la fonction que la couche est appelée àremplir dans la structure routière (couches d’usure, de liaison, de fondation, de sous-fondation) et aux conditions d’environnement et de service (circulation, structure de lachaussée, environnement spécial) ; pour le fabricant d'enrobé, les critères sontsouvent définis et même imposés, partiellement ou totalement par les documentsd’adjudication.

IV.2 PRISE EN COMPTE DES PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES

De ce qui précède on voit combien il est important de concevoir un mélangebitumineux en fonction du rôle qu’il est appelé à jouer dans la structure routière. Laconception sera différente selon qu’il s’agit d’une couche d’usure, d’une couche defondation ou d’une couche de sous-fondation.

C’est ici que les résultats des essais mécaniques effectués dans le cadre des

In mixes with a sandywould transfer all the mastic). The sand fravoids in which it is pocoat the grains and enmastic - which can approximate that of the

As for that grain strucmixture to play an actflow test [25]. This will

Mixes with a filler skemixture of bitumen and

It appears, then, that between coarse aggredesigners the criteria road structure (weaenvironmental and seenvironment); for mix imposed in the tender

IV.2 THE CONSIDE

From the foregoing it wview of the role it haaccording to whether base material.

Here lies the practica

recherches sur le comportement mécanique des mélanges bitumineux trouvent toutleur intérêt pratique. De ceux-ci il ressort en effet que les deux propriétés importantes,à savoir la résistance à l’orniérage par fluage (problème de composition) et larésistance à la f issuration par fatigue (problème de composit ion et dedimensionnement), dépendent de deux paramètres : la susceptibilité thermique de laconsistance du liant qui influence directement la susceptibilité thermique du module| E* | du mélange et le taux de remplissage en liant entre les granulats.

research into the mechanical performance of bituminous materials. It has, indeed,been found that the two important parameters, viz. resistance to flow rutting (aproblem of composition) and resistance to fatigue cracking (a problem of compositionand thickness design), depend on two parameters: the temperature susceptibility ofthe consistency of the binder, which directly affects the temperature susceptibility| E* | of the mix, and the degree to which the voids in the aggregate are filled withbitumen.

ents for bituminous mixes to resist fatigue cracking and flows far as the bitumen is concerned, i.e. a low temperatureonsistency of the binder, they may seem in conflict for mixe to fatigue requires that the voids in the aggregate should beible with bitumen (or a low percentage of residual voids), while

ing requires a lower degree of filling (or a higher percentage of

p.55

Si en matière de liant, la résistance à la fissuration par fatigue et la résistance àl’orniérage par fluage des mélanges bitumineux ont les mêmes exigences c’est-à-dire,une faible susceptibilité thermique de la consistance du liant, leurs exigences peuventapparaître contradictoires en matière de composition : la résistance à la fatigue exigeun taux de remplissage en liant de l’espace entre les granulats qui soit le plus élevépossible (ou un faible pourcentage de vides) tandis que la résistance à l’orniérage parfluage exige que ce taux de remplissage soit plus faible (ou un pourcentage de videsplus élevé).

p.54

Whereas the requiremrutting are similar asusceptibility of the ccomposition: resistancfilled as much as possresistance to flow ruttresidual voids).

esign, a low percentage of voids will always be beneficial toy be detrimental to flow rutting resistance; on the other hand, avoids will benefit resistance to flow rutting as the aggregateater part (hence the advantage of having angular particles), butue strength if the percentage is too high.

carefully selected and proportioned constituents, to designh perform well both for resistance to fatigue and resistance tohy we prefer to speak of the need to optimize compositions

omise to be made between the two properties, as this leads toperty must be achieved at the expense of the other. Otherresistance to the stripping of binder, resistance to ageing andture should also be considered in the optimization process.

E PERCENTAGE OF VOIDS IN THE AGGREGATE

ggregate in a bituminous mix is a decisive factor for thee and service life of the material. It determines the volume ofeleton; any changes in grading and/or differences in particleay lead to considerable unexpected differences in this volume,

such as instability for lack of space available for the mastic andto a percentage of voids in excess of expectations.

d be emphasized that overall criteria of distribution among the and filler fractions, ignoring all distinctions between mixes with

nt grading curves - and, hence, considerable differences ine inadequate.

teresting, or even necessary, to be able to evaluate the volume

Faute d’une formulation correctement établie un faible pourcentage de vides sera toujoursfavorable à une bonne résistance à la fatigue mais risque d’être préjudiciable à larésistance à l’orniérage par fluage ; par contre, un pourcentage de vides plus élevéfavorisera une bonne résistance à l’orniérage par fluage car le squelette des granulatsjouera un rôle plus important (d’où l’intérêt d’éléments anguleux) mais risque de conduireà une résistance à la fatigue plus faible si le pourcentage de vides est trop élevé.

Il est donc possible de concevoir, moyennant un choix judicieux des constituants et de leurdosage, des mélanges bitumineux qui soient à la fois performants aussi bien en matière derésistance à la fatigue qu’en matière de résistance à l’orniérage par fluage. C’est pourquoinous pensons qu’il est plus indiqué de parler de la nécessité d’une optimisation descompositions plutôt que de parler d’un compromis à faire entre les deux propriétés car cecipourrait laisser croire que l’on ne peut obtenir l’une des propriétés qu’au détriment de l’autre.Cette optimisation doit aussi tenir compte d’autres exigences à remplir telles que la résistanceau désenrobage, la résistance au vieillissement et la flexibilité aux basses températures

IV.3 ESTIMATION DU POURCENTAGE DE VIDES ENTRE LES GRANULATS

La distribution des granulats dans un mélange bitumineux est un facteur déterminant pour lecomportement mécanique et la durée de vie du matériau. Cette distribution conditionne levolume des vides du squelette minéral et toute modification de la granularité et/ou desdifférences dans la forme des grains et dans leur angularité peuvent conduire à desdifférences importantes et inattendues dans ce volume entraînant parfois desconséquences dommageables. Celles-ci peuvent être une instabilité due à unsurremplissage faute d’espace disponible pour le mastic ou encore une durabilité amoindriesuite à un pourcentage de vides excessif lorsque ce volume est supérieur aux prévisions.

A ce sujet, il importe de souligner ici l’insuffisance de critères globaux de répartitionentre les fractions de pierres, de sables et de fines, qui présentent, sous la mêmedénomination, des mélanges qui en réalité présentent des différences sensibles decourbe granulométrique avec, pour conséquence, des différences sensibles dans larépartition des volumes.

C’est pourquoi il s’avère intéressant, sinon nécessaire, de pouvoir évaluer le volume

Failing a correct mix dfatigue strength but mahigher percentage of skeleton will play a gremay result in lower fatig

So it is possible, withbituminous mixes whicflow rutting. That is wrather than of a comprthe belief that one prorequirements such as flexibility at low tempera

IV.3 ESTIMATING TH

The distribution of amechanical performancvoids in the mineral skshape and angularity mwith detrimental effectsreduced durability due

In this respect, it shoulcoarse aggregate, sandactually widely differevolume distribution - ar

That is why it proves in

des vides d’un mélange de particules minérales à partir des caractéristiques de lagranulométrie.

Il existe des modèles analytiques qui, à partir de la connaissance de la courbegranulométrique et de certaines caractéristiques des constituants, permettent laprévision du pourcentage de vides entre les granulats d’un mélange compacté.

of voids in a mix of mineral particles from grading characteristics.

There are analytic models capable of predicting the percentage of voids in theaggregate of a compacted mix from the grading curve and certain characteristics ofthe constituents.

s model ([26], 1948), the model of S.B. Hudson and R.L. Davis model recently developed by L. Francken and A. Vanelstraete e the latter is general in character and easy to use with ther software, its basic principles are presented hereafter.

ore details on the building up of a skeleton of mineral particles to the work of C. Furnas [29], G. Lees [30], L. Heleven [31] and

p.57

Citons, par exemple, le modèle de Nijboer ([26], 1948), le modèle de S.B. Hudson etR.L. Davis ([27], 1965) et, plus récemment, le modèle de L. Francken et A. Vanelstraete ([28], 1993). Etant donné la généralité de ce dernier modèle et sa facilité d’emploi grâce àun logiciel, nous en présentons ci-dessous les principes de base.

Le lecteur qui désirerait approfondir la question de l’édification d’un squelette departicules minérales se référera aussi utilement aux travaux de C. Furnas [29], de G. Lees [30], de L. Heleven [31] et de P. Verbert [32].

p.56

Examples are Nijboer’([27], 1965), and the ([28], 1993). Becausassistance of compute

Readers interested in mmay also usefully referP. Verbert [32].

FRANCKEN AND A. VANELSTRAETE [28]

rlier methods, the formalism takes account of a number of known to have an influence on voids in a mix: grading, substitution mechanisms in building up the mineral skeleton.

ution of the aggregate is considered to be the combination oftions, each with its percentage of voids. The ten sieve sizes.0625; .125; .25; .5; 1; 2; 4; 8; 16; and 32 (in mm).

used for the voids in the fractions. They are determinedmay vary with the method of compaction and according toe is angular or round. In the study carried out Marshall precoated fractions [50].

voids in the aggregate mixture are the result of successive the finer constituent is formed by the partial mixture of the s and the coarser by the fraction "i" to be added. The size, di,t increases at each stage and finally reaches dN with the lastwhich starts with the finest fraction (the filler), thus comprises

onsidered in building up the mineral skeleton: filling (gradualbetween coarser components by finer components) andoduction of coarser particles into a skeleton of fine particles).

s have been developed to calculate voids with this ratherch applies both to mixes with a sandy skeleton and mixes with

IV.4 MODÈLE DE L. FRANCKEN ET A. VANELSTRAETE [28]

Par rapport aux méthodes antérieures, le formalisme tient compte d’un certain nombrede paramètres dont on sait qu’ils exercent une influence sur les vides d’un mélange :la granularité, l’angularité des matériaux, le mécanisme de remplissage et lemécanisme de la substitution dans l’édification du squelette minéral.

La granularité des granulats est considérée comme étant la combinaison de dixfractions granulométriques étroites, chacune avec son pourcentage de vides. Les dixtamis considérés sont : 0,0625 ; 0,125 ; 0,25 ; 0,5 ; 1 ; 2 ; 4 ; 8 ; 16 ; 32 (en mm).

Des valeurs de référence sont utilisées pour les vides des fractions. Elles sontdéterminées expérimentalement. Elles varient selon le mode de compactage et selonqu’il s’agit d’un matériau anguleux ou rond. Dans l’étude effectuée, le compactageMarshall a été utilisé et a porté sur les fractions préenrobées [50].

On admet que les vides dans le mélange de granulats sont le résultat des mélangesbinaires successifs dans lesquels le constituant fin est le mélange partiel des (i - 1)fractions précédentes et le constituant gros la fraction "i" à ajouter. A chaque étape, lecalibre di du constituant gros augmente jusqu’à ce qu’on arrive à la dernière fractionde calibre dN. Ce processus qui commence avec le constituant le plus fin (fines)comprend donc dix étapes successives.

Deux mécanismes sont pris en considération dans l’édification du squelette minéral :le remplissage (occupation progressive par les composants fins de l’espace entre lescomposants gros) et la substitution (introduction progressive d’éléments gros dans unsquelette d’éléments fins).

Des programmes informatiques ont été mis au point pour permettre le calcul des videsau moyen de cette procédure relativement complexe qui s’applique aussi bien à lacatégorie des mélanges à squelette sableux qu’à la catégorie des mélanges àsquelette pierreux.

IV.4 MODEL OF L.

In comparison with eaparameters which areangularity, and filling and

The particle size distribten narrow grading frac(in mm) considered are:

Reference values are experimentally. They whether the aggregatcompaction was used on

It is assumed that the binary mixings in which(i - 1) preceding fractionof the coarse constituenfraction. The process, ten stages of mixing.

Two mechanisms are coccupation of space substitution (gradual intr

Computer programmecomplex procedure, whia stony skeleton.

Le mécanisme de calcul est indépendant du mode de compactage mais les formulesutilisées font intervenir des paramètres de référence qui en dépendent. Il s’imposedonc, pour les applications pratiques et pour un mode donné de compactage, deprocéder à la détermination expérimentale de ces paramètres et ce, à partir d’unevérification entre les valeurs calculées et les valeurs mesurées (calage du modèle).

Actuellement, dans les applications pratiques, on admet un compactage Marshallstandard pour le calcul des vides dans le squelette minéral. Ensuite on tient compte

The calculation mechanism is independent of the method of compaction, but theformulas used contain reference parameters which do depend on it. In practicalapplications these parameters therefore need to be determined experimentally for agiven method of compaction, by comparing computed values with measured values(calibration of the model).

At present generally standard Marshall compaction is assumed in practicalapplications for calculating voids in the mineral skeleton, and allowance is made for

on site. Four rates of compaction have been adopted in thisMarshall compaction), medium (98%), high (100%), and veryoption applies when mixes are made with binders that contain and characteristics of which have a marked beneficial effect on

es ranging within nine grading envelopes, with average particles represented in figure 12 and with certain parameters variedgular sand fraction), were used for such a calibration with the

p.59

de l’aptitude au compactage lors de la réalisation sur route. A cet égard, quatre tauxde compactage ont été prévus : faible (96 % du compactage Marshall) ;moyen (98 %) ; fort (100 %) ; très fort (102 %). L’option “très fort” est sélectionnéelorsque les mélanges contiennent des liants avec ajouts dont les teneurs et lescaractéristiques améliorent fortement l’aptitude au compactage.

Quarante-neuf mélanges différents répartis dans neuf fuseaux granulométriques dontles courbes moyennes sont représentées sur la figure 12, et pour lesquels on a faitvarier certains paramètres (type de granulat, fraction de sable anguleux) ont fait l’objet

p.58

compactibility in layingrespect: low (96% of high. The “very high” additives, the contentscompactibility.

Forty-nine different mixsize distribution curve(type of aggregate, an

ALCULÉ

CALCULATED VMA CALCULÉ

Calibre(mm): 32,00 1,00 8,00 4,00 2,00 1,00 0,50 0,25 0,13 0,06

Size

Type 1 100,0 95,6 73,3 55,9 43,1 36,0 28,8 20,5 13,6 10,4Type 2 100,0 100,0 98,0 74,7 61,8 51,3 40,8 28,5 17,7 11,9Type 2-F 100,0 100,0 97,7 71,3 56,5 44,6 32,7 19,0 7,4 1,6Type 4 100,0 100,0 96,9 60,6 44,0 35,9 27,8 19,2 11,9 8,0GAB57 100,0 96,3 65,1 42,5 38,6 34,6 30,6 18,6 9,2 6,7Z.O.A. 100,0 96,3 41,7 20,0 18,5 14,3 10,2 7,6 6,0 5,1P 0-2 100,0 100,0 100,0 100,0 99,8 60,8 25,9 5,5 1,2 0,2SMA 0-11 100,0 100,0 73,3 37,3 24,2 21,0 17,7 15,9 13,4 11,0Talbot 100,0 100,0 96,7 63,8 42,0 31,6 21,2 15,3 11,2 8,4

Figure 12 - Granularité des différents types de mélanges étudiésUne courbe granulométrique moyenne est donnée par type [28]

➜Figure 12 - Particle size distributions of the various mix types investigated.

An average grading curve is given per type [28]

x

x

x

x

x

x

% PASSANT / PASSING

CALCULATED VQ C

Droite de régression :Regression line :Y = A x (X + B)

p.61

ntre les vides calculés et les vides mesurés dans le squelette sable-s 49 mélanges sélectionnés pour la vérification [28]

elation between calculated and measured voids in the sandand stone skeletons of the 49 mixes [28]

Droite de régression :Regression line :Y = A x (X + B)

A = 1,03B = -0,830

Sxy = 1,149N = 49

Corr = 0,959

p.60

MEASURED VMA MESURÉ

Figure 13 - Corrélation entre les vides calculés et les vides mesurés dans 49 mélangesutilisés pour la vérification [28]

Figure 13 - Correlation between calculated and measured voids in 49 mixes used for verification [28]

A = 1,01B = -0,024

Sxy = 1,277N = 49

Corr = 0,967

Figure 14 - Corrélation epierres de

Figure 14 - Corr

method. The results obtained are presented in figures 13tes to voids in the stone + sand + filler skeleton (VMA) and

e stone + sand skeleton (VQ).

an be concluded that the model enables voids in a wide ranged with fair accuracy.

that the model remains applicable when another compactionample to achieve better agreement between compaction on siteprovided the values of the reference parameters are selected inther method.

NTEREST OF THE ANALYTIC APPROACH

controlled in designing a bituminous mix for good mechanicalmerous. It would, therefore, be illusive to think that this isse of any - however fine - analytic method. Control can only bental method based on one or preferably more mechanical tests

method does not, however, yield the optimum solution directlyoften requires prior trial and error.

interest of an analytic approach, which may reduce the numberently, the number of resulting tests by estimating the space

en or mastic. In addition, it can be used to find out more rapidlye mechanical verification test.

d’un tel calage pour le cas où le mode de compactage Marshall est appliqué. Lesrésultats obtenus sont présentés sur les figures 13 et 14 : la figure 13 est relative aupourcentage de vides dans les squelettes pierres + sables + fines (VMA) et la f igure 14 est relative au pourcentage de vides dans les squelettes pierres + sables (VQ).

Leur examen conduit à conclure que la méthode permet de prévoir les vides d’unelarge gamme de mélanges avec une assez bonne précision.

Nous insisterons sur le fait que si l’on passe à une autre méthode de compactage,donnant par exemple une meilleure concordance entre le compactage in situ et enlaboratoire, la méthode reste applicable à condition de choisir, pour les paramètres deréférence, les valeurs correspondant au mode de compactage adopté.

IV.5 INTÉRET PRATIQUE DE L’APPROCHE ANALYTIQUE

Etant donné le grand nombre de paramètres à maîtriser lors de la conception d’unmélange bitumineux pour assurer le bon comportement mécanique de celui-ci, il seraitillusoire de penser y parvenir à partir du seul recours à une méthode analytique quellequ’elle soit. Cette maîtrise ne peut être acquise que sur base d’une méthodeexpérimentale fondée sur un ou, de préférence , sur plusieurs essais mécaniques delaboratoire.

Une telle méthode expérimentale ne conduit cependant pas directement et rapidementà la solution optimale et nécessite le plus souvent quelques tâtonnements préalables.

C’est ici que réside l’intérêt pratique de l’approche analytique car son applicationpourrait réduire le nombre de ces tâtonnements et, par conséquent, le nombred’essais qui en résulte et ce, en permettant l’estimation de l’espace disponible pour lebitume et le mastic. De plus, en cas de non réussite de l’essai mécanique devérification, elle permet d’en déceler plus rapidement les causes.

Marshall compactionand 14: figure 13 relafigure 14 to voids in th

From these figures it cof mixes to be predicte

It must be underlinedmethod is used for exand in the laboratory, accordance with that o

IV.5 PRACTICAL I

The parameters to beperformance are nupossible by the sole ugained by an experimein the laboratory.

Such an experimentaland rapidly, and most

Here lies the practicalof trials and, consequavailable for the bitumwhy a mix has failed th

p.63

p.62

HIGHLY FLOW RUT-RESISTANT MIXESUSED IN PRACTICE

ons set out in the preceding chapters most countries have adapted the of bituminous mixes and the characteristics of their constituents to the of present-day traffic, and sometimes even developed new mix designsd otherwise, the percentages given in this chapter are percentages by

f the results obtained both through observations and analyses on existingthrough mechanical testing, countries have reviewed theirtions and specifications in order to increase the role of the mineralsisting flow rutting without affecting durability-related properties. The useinders has also developed. It should further be noted that widely differenttraffic conditions may explain the sometimes considerable differences inf mixes that are satisfactory in different countries, and why a composition

factory in one country would not necessarily perform well in another.

MANY the following are used:

road bases containing over 60% of crushed stone with a maximum size mm and a sand fraction with a crushed content of more than 50%. Theenerally a penetration 65 bitumen;

s base courses containing 60 to 80% of crushed stone and a sand

V . LES MÉLANGES À HAUTE RÉSISTANCE À L’ORNIÉRAGE PAR FLUAGE

UTILISÉS EN PRATIQUE

suite aux raisons exposées dans les chapitres précédents, la plupart des pays ont étéamenés à adapter les compositions des mélanges bitumineux et les caractéristiquesde leurs constituants aux exigences du trafic actuel et parfois même à concevoir denouvelles formules (sauf stipulation contraire, les pourcentages indiqués dans cechapitre concernent des masses).

Sur le plan des résultats obtenus, tant à partir des observations et analyses sur routesréelles qu’à partir d’essais mécaniques, le pays ont été conduits à revoir leursrecommandations et prescriptions dans le but de renforcer le rôle que joue lesquelette minéral dans la résistance à l’orniérage par fluage tout en évitant de porteratteinte aux propriétés liées à la durabilité. L’emploi de liants modifiés s’est aussidéveloppé. Il faut encore noter que les fortes différences entre les climats et les traficsexpliquent les différences parfois importantes dans la composition des enrobésdonnant satisfaction dans les différents pays et qu’une composition qui donnesatisfaction dans un pays ne donnera pas forcément satisfaction dans un autre.

C’est ainsi qu’en ALLEMAGNE on utilise :

- des couches bitumineuses de base qui contiennent plus de 60 % de pierresconcassées dont le calibre maximum est de 22 ou 32 mm et une fraction sablescomprenant plus de 50 % d’éléments concassés ; un bitume pénétration 65 estgénéralement utilisé.

- des couches bitumineuses de liaison qui contiennent de 60 à 80 % de pierres

V .

For the reascompositionsrequirements(unless statemass).

On account oroads and recommendaskeleton in reof modified bclimatic and composition owhich is satis

Thus in GER

- bituminousof 22 or 32binder is g

- bituminou

concassées et une fraction sables contenant plus de 50 % d’éléments concassés ;un bitume pénétration 65 est utilisé et, dans certains cas particuliers, un bitumepolymère pénétration 45 ou 65 afin d’augmenter encore la résistance à l’orniéragepar fluage.

- des couches bitumineuses de surface et tout particulièrement le“splittmastixasphalt” qui fut développé vers le milieu des années soixante.

fraction with a crushed content of more than 50%. The binder is a penetration 65bitumen or, in special cases, a penetration 45 or 65 polymer-bitumen for evenhigher resistance to flow rutting;

- bituminous wearing courses, in particular “Splittmastixasphalt” which wasdeveloped toward the mid-sixties.

asphalt” (standard ZTV bit - StB84) is a mix with a stony skeleton, rich inegate and filled with a mortar (sand, filler, bitumen) rich in binder. Its at both high stability and high durability. This type of mix placed in layers5 and 5 cm thick also stands up well against wear by studded tyres,the presence of coarse aggregate at the surface. It is at present widely

any and has also found its way to other European countries such as theNDS and the SCANDINAVIAN COUNTRIES.

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Le “splittmastixasphalt” (norme ZTV bit - StB84) est un mélange à squelette pierreux,riche en gros granulats dont les vides sont remplis par un mortier (sables, fines,bitume) riche en liant. Sa conception repose sur la recherche simultanée d’une grandestabilité et d’une grande durabilité. Ce type de mélange posé en couches d’épaisseurscomprises entre 2,5 et 5 cm, présente également une bonne résistance à l’usure parles pneus à crampons et ce, grâce à la présence de gros granulats en surface. Il estaujourd’hui largement utilisé en Allemagne et est aussi utilisé dans plusieurs paysd’Europe et notamment aux PAYS-BAS et dans les PAYS SCANDINAVES.

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“Splittmastixcoarse aggrdesign aimsbetween 2.because of used in GermNETHERLA

used on all types of road but is particularly suitable for high-eas with severe climatic conditions. Other areas of application taxiways, bridge deck surfacings, container storage areas andof mix it is important to avoid overfilling the voids in the stonyplittmastixasphalt” requires perfect control of mortar content in

o be placed in layers of varying thickness and be used in thin and repair.

it ratio.

th selected materials and a hard bitumen having a lowause of its rather high content, this bitumen is admixed with(cellulose fibres) to avoid flow and segregation duringspreading and compaction.

s have a beneficial influence on ageing, adhesion to the fatigue cracking and resistance to climatic effects.

one country to another but can be generally described as

te fraction makes up 70 to 80% of the mineral skeleton;e may vary from 5 to 22 mm but most commonly varies from

kes up 12 to 17% of the mineral skeleton and the filler fraction

rainage inhibitors) for the bitumen are added to a contentand 1.5%;

.5 to 8% by mass of the dry aggregate and the filler/bitumen

ids after field compaction with conventional equipment is lower

Le “splittmastixasphalt” est utilisé sur tous les types de chaussées mais il convient toutparticulièrement pour les routes à trafic lourd et pour les zones à conditionsclimatiques sévères. D’autres domaines d’application sont : les pistes et les taxiwaysd’aérodromes, les revêtements de ponts, les aires de stockage de conteneurs, lesarrêts de bus. Dans ce type de mélange il faut éviter que le mortier ne surremplisseles vides du squelette pierreux : la réalisation des “splittmastixasphalt” nécessite uneparfaite maîtrise de la teneur en mortier à la fabrication et à la réalisation.

Ce type de mélange peut également être posé en couches d’épaisseurs variables etêtre aussi utilisé en couches minces pour l’entretien et les réparations.

Il présente un rapport coût/bénéfice favorable.

Des matériaux sélectionnés sont utilisés pour sa fabrication, ainsi qu’un bitume dur àbas indice de pénétration auquel, vu sa teneur assez élevée, on ajoute des additifsstabilisateurs (fibres de cellulose) afin d’éviter son écoulement et la ségrégationpendant la fabrication, le transport et la mise en œuvre.

Les films épais de bitume limitent le vieillissement, influencent favorablement la liaison desgranulats, la résistance à la fissuration par fatigue et la résistance aux effets climatiques.

La formulation varie d’un pays à l’autre mais elle peut être décrite de la manièregénérale suivante :

- la fraction pierres constitue 70 à 80 % du squelette minéral ; le calibre maximumpeut varier de 5 à 22 mm mais le calibre maximum le plus utilisé varie de 11 à16 mm ;

- la fraction sableuse constitue 12 à 17 % du squelette minéral et la fraction fine, 8 à13 % ;

- les agents stabilisateurs (inhibiteurs d’écoulement ajoutés au bitume) le sont à untaux compris entre 0,3 et 1,5 % ;

- la teneur en bitume est de 6,5 à 8 % en poids du granulat sec et le rapportfines/bitume dépasse 1,2 % ;

- après compactage in situ à l’aide d’engins classiques le pourcentage de vides est

“Splittmastixasphalt” is volume roads and for arare airfield runways andbus stops. In this type skeleton with mortar: “smanufacture and laying.

This type of mix can alscourses for maintenance

It has a good cost/benef

It is manufactured wipenetration index. Becstabilizing additives manufacture, transport,

The thick bitumen filmaggregate, resistance to

Mix design varies fromfollows:

- the coarse aggregamaximum particle siz11 to 16 mm;

- the sand fraction ma8 to 13%;

- stabilizing agents (dranging between 0.3

- bitumen content is 6ratio exceeds 1.2%;

- the percentage of vo

inférieur à 6 %.

La raison principale de la teneur élevée en bitume dans le mortier s’explique par le faitque ce dernier subit peu l’influence du compactage vu la haute résistance aufrottement interne de la fraction pierres et, dès lors, pour obtenir un faible pourcentagede vides dans le mortier afin d’assurer la durabilité, une teneur assez élevée en

than 6%.

The main reason for the high bitumen content of the mortar is that the latter is littlesensitive to compaction, because of the high resistance of the coarse aggregatefraction to internal friction; hence a rather high bitumen content is required to achievea low percentage of voids in the mortar for the purpose of durability. An essential

perform well for flow rutting is to avoid overfilling the voids inith mortar. If this can be achieved, the high content of coarse the temperature susceptibility of resistance to flow rutting.

ing in FRANCE started in 1969 and have been marked byes:

s with medium-sized or coarse aggregate (“semi-grenu”) (1969)rovement of existing mixes by changing their composition;

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bitume est nécessaire. Une condition essentielle pour le bon comportement dumélange vis-à-vis de l’orniérage par fluage est d’éviter que le mortier ne surremplisseles vides du squelette pierreux. Dans ces conditions, la haute teneur en pierresdiminue la susceptibilité à la température de la résistance à l’orniérage par fluage.

Dans la lutte contre l’orniérage qui commence en FRANCE dès 1969, on distingueplusieurs phases successives :

- Les bétons bitumineux semi-grenus (1969) qui résultent d’une amélioration desmélanges existants suite à une modification de leur composition ;

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condition for the mix tothe mineral skeleton waggregate will diminish

Efforts to mitigate ruttseveral successive stag

- bituminous concreteresulting from an imp

ry thin (1980) courses for maintenance required by theing courses;

of a thin or very thin layer on top of a layer in bituminousm-sized coarse aggregate (1980). These resulted from thend led to a separation of the functions of a conventional

art performed by a thin wearing course and the other by a thick

inous mixes (1983) developed for sites with exceptionallyditions and used in base courses between an underlyingr very thin wearing course.

ith medium-sized coarse aggregate (NFP 98130) are used inse courses to ensure stability and durability.

d type of mix is very stiff and contains between 4 and 8% ofistics are obtained by spreading and compacting in thick lifts:aggregate size of 10 mm and 8 cm with a maximum size of that thicker layers are easier to compact. Compaction is

tyred rollers (3 to 5 t per wheel; pressure: 0.6 to 0.7 MPa) or

iour of the aggregate and the relatively high binder content callrgy. Hard materials must therefore be used to avoid changes

d for a stiff mix is: aggregate and no river sand,d to between 28 and 35%,o high but sufficient for good durability. The bitumen contenta mix design study. The typical value is 5.4% (by mass of the/14 mix and 5.6 to 5.8% for a 0/10 mix;

- Les couches minces (1978) puis très minces (1980) d’entretien nécessitées par laremise en état de couches de surface ;

- Les couches de surface composées d’une couche mince ou très mince posée surune couche de béton bitumineux semi-grenu (1980) qui sont le résultat desformulations précédentes et qui conduisent à une séparation des fonctions de lacouche de surface traditionnelle assurées d’une part, par une couche de roulementposée en faible épaisseur et, d’autre part, par une couche épaisse de liaison ;

- Les enrobés bitumineux à haut module (1983) mis au point pour les sites àsollicitations exceptionnelles et utilisés comme couche de liaison entre le support etla couche de roulement à faible ou très faible épaisseur ;

Les bétons bitumineux semi-grenus (NFP 98 130) sont utilisés en couche de surfaceet en couche de liaison. Leur objectif est d’assurer la stabilité et la durabilité descouches qu’ils constituent.

Ce type de mélange à granularité continue présente une rigidité élevée et un pourcentagede vides compris entre 4 et 8 %. Ces caractéristiques sont obtenues par un épandage et uncompactage en couche épaisse : 6 cm pour un calibre maximum de 10 mm et 8 cm pour uncalibre maximum de 14 mm. La raison de ceci est que les couches épaisses rendent plusaisée leur compactage. Le compactage est effectué à l’aide de rouleaux à pneus lestés de3 à 5 tonnes par roues et à une pression de 0,6 à 0,7 MPa ou de rouleaux vibrants.

Le caractère très flottant des granulats et la teneur en liant relativement faiblenécessite une forte énergie de compactage, d’où le recours à des granulats durs pouréviter toute évolution du squelette granulaire.

Pour obtenir un mélange rigide la composition qui a été adoptée est :- 100 % de pierres concassées et le non emploi de sable de rivière,- la teneur en sable est réduite et comprise entre 28 et 35 %,- la teneur en liant n’est pas trop élevée mais toutefois suffisante pour obtenir unebonne durabilité ; la teneur en bitume adoptée est le résultat d’une étude deformulation : la valeur typique est de 5,4 % (rapportée au poids de granulats secs)

- thin (1978) and verehabilitation of wear

- surfacings composedconcrete with mediupreceding designs asurfacing, with one pbase course;

- high-modulus bitumsevere loading constructure and a thin o

Bituminous concretes wwearing courses and ba

This continuously gradevoids. These character6 cm with a maximum 14 mm. The reason iscarried out with rubber-vibrating rollers.

The very floating behavfor high compaction enein the mineral skeleton.

The composition adopte- 100% crushed coarse- sand content restricte- binder content not toadopted results from dry aggregate) for a 0

pour un mélange 0/14, et 5,6 à 5,8 % pour un mélange 0/10,- la pénétration du bitume est de 40/50 dans le sud et de 60/70 dans le nord du pays.

Ce type de mélange a été très utilisé au cours des vingt dernières années dans le casde nouvelles constructions et dans les cas de rechargement d’anciennes chaussées. Ilsont prouvé leur bonne résistance à l’orniérage par fluage et ceci a été clairementdémontré lors de l'été très chaud de 1976 qu’a connu l’Europe occidentale par le fait

- bitumen penetration grade 40/50 in the southern and 60/70 in the northern part ofthe country.

Such mixes have been very widely used over the past twenty years for newconstruction as well as in overlays on old pavements. They have demonstrated goodresistance to flow rutting - in particular during the very hot summer of 1976 in WesternEurope, rutting in France was observed in only a limited number of cases. A few

were, however, reported from the southern part of the country was minimum and the bitumen used was a hard penetration

the thermal fatigue of layers under the daily cycles of variation result of bitumen ageing in the presence of too thin a binderh a voids content. Early ageing was observed more frequentlyhich have now been abandoned.

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que l’on a observé en France qu’un nombre limité de cas d’orniérage. Il faut toutefoissignaler l’apparition de problèmes de fissuration dans le sud de la France lorsque lateneur en bitume était minimum et que ce bitume était un bitume dur pénétration 40/50.

Cette fissuration est due à la fatigue thermique des couches suite à l’action des cyclesjournaliers de variation de la température ; elle est le résultat d’un vieillissement dubitume suite à la présence d’une teneur en vides trop élevée et d’un film de liantd’épaisseur trop faible. Ce vieillissement prématuré a été observé plus fréquemmentdans le cas de bitumes soufflés qui actuellement ne sont plus utilisés.

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problems with crackingwhere bitumen content40/50 grade.

This cracking is due to in temperature; it is thecoating film and too higwith blown bitumens, w

s with medium-sized coarse aggregate being unsuitable for - which are mainly intended to restore surface characteristics orrvious -, another mix design was developed in 1978 for use in 4

maintenance (NFP 98132). The principles of 100% crushed sand content and low bitumen content were maintained. On

ix was gap-graded (with a maximum particle size of 10 mm the were 0 to 2 mm and 6 to 10 mm) to improve compactibility aslifts; this had the additional advantage of improving surfacesequently, skid resistance at high speed.

ixes did not, however, prove as rut-resistant as bituminousm-sized coarse aggregate. As a result, their use has declineddeveloped in the eighties for laying in thin courses (2.5 cm veryrete courses, NFP 98137). These new mixes are also gap-minant size fractions: 0-2 mm and 6-10 mm.

roads, modified binders are used and/or fibre additives arelayers also have good resistance to skidding at high speed, anding is not required to the same extent with these very thin layers

y for bituminous courses is to alternate a very thin and a thick

ears, a very thin course is laid to improve skid resistance andhis layer has no structural effect;

t to ten years, 6 to 8 cm of dense mix with a high content ofs laid to improve the structural capacity of the pavement.

Les bétons bitumineux semi-grenus posés en couches épaisses se prêtent mal à laréalisation de couches d’entretien dont le rôle principal est de restaurer lescaractéristiques de surface ou l’imperméabilisation de la structure. Une autre formulede mélange a donc été développée en 1978 pour la réalisation de couches mincesd’entretien (NFP 98 132) pouvant être posées en 4 cm d’épaisseur. Les principes de100 % d’éléments concassés, d’une faible teneur en sables et en bitume ont été iciaussi retenus. Afin d’améliorer la compactibilité nécessitée par l’usage d’uneépaisseur plus faible, les mélanges ont une granularité discontinue (dans le cas où lecalibre maximum est de 10 mm les fractions granulométriques présentes vont de 0 à2 mm et de 6 à 10 mm) qui offre de plus l’avantage d’améliorer la macro-texture desurface et donc d’améliorer la résistance au dérapage à grande vitesse.

La résistance à l’orniérage de ces mélanges à granularité discontinue ne s’esttoutefois pas révélée aussi élevée que celle des bétons bitumineux semi-grenus desorte que ces mélanges ne sont plus très utilisés et que de nouveaux mélanges furentdéveloppés dans les années quatre-vingt en vue de leur utilisation en couches defaible épaisseur (2,5 cm) (bétons bitumineux très minces, NFP 98 137). Ces nouveauxmélanges sont aussi des mélanges à granularité discontinue avec deux fractionsgranulométriques prédominantes : 0-2 mm et 6-10 mm.

Sur les routes très circulées, des liants modifiés sont utilisés et/ou on a recours à desadditifs constitués de fibres. Ces couches présentent aussi une bonne résistance audérapage à grande vitesse et la résistance à l’orniérage par fluage de ces couchestrès minces n’est pas aussi nécessaire que dans les cas de couches épaisses.

La stratégie d’entretien à long terme des couches bitumineuses est d’utiliseralternativement une couche très mince et une couche épaisse :

- après 8 ou 10 années, pose d’une couche très mince qui améliore la rugosité etl’imperméabilisation ; cette couche n’a aucun effet structurel ;

- après une autre période de 8 à 10 ans, pose en 6 ou 8 cm d’un enrobé dense àhaute teneur en pierres qui améliore la capacité structurelle de la chaussée.

Bituminous concretemaintenance coursesmake a structure impecm thin courses for coarse aggregate, lowthe other hand, the msize fractions presentrequired for thinner macrotexture and, con

These gap-graded mconcretes with mediuand new mixes were thin bituminous concgraded with two predo

For heavily traffickedincorporated. These resistance to flow ruttas with thick layers.

The long-term strateglayer in time:

- after eight to ten yimperviousness. T

- after another eighcoarse aggregate i

Le développement des couches d’entretien et les bons résultats obtenus ont conduit àl’utilisation de couches très minces dans le cas de nouvelles constructions. A la fin desannées quatre-vingt il est apparu nettement qu’il était préférable d’utiliser une couchede surface composée d’une couche très mince posée sur une couche de bétonbitumineux semi-grenu plutôt que d’utiliser une couche de surface faite seulementd’une couche de béton bitumineux semi-grenu. Ceci a conduit à séparer les fonctions

The development of courses for maintenance and the good results obtained have ledto the use of very thin layers in new construction. By the end of the eighties it becameclear that a surfacing composed of a thin layer on top of a layer in bituminous concretewith medium-sized coarse aggregate was preferable to a surfacing made of a singlecourse of bituminous concrete with medium-sized coarse aggregate. As a result, thevarious functions of the surfacing were separated. The very thin layer has to ensure

ess and skid resistance, but does not need to be highly resistantick base course has to ensure good resistance to flow rutting andoes not need to have a deep macrotexture.

high resistance to rutting is required, conventional mixes are noeplaced with high-modulus bituminous mixes (NFP 98140).

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de la couche de surface : la couche très mince a pour rôle d’assurer la durabilité,l’imperméabilité et la rugosité ; une grande résistance à l’orniérage s’avère moinsnécessaire. La couche épaisse de liaison a pour rôle d’assurer de bonnes résistancesà l’orniérage par fluage et à la fissuration par fatigue, une haute macro-texture n’estplus nécessaire dans ce cas.

Lorsqu’une résistance à l’orniérage exceptionnelle s’avère nécessaire les mélangesconventionnels ne sont plus utilisés et l’on a recours à des enrobés bitumineux àmodule élevé (NFP 98-140).

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durability, imperviousnto rutting, while the thfatigue cracking, but d

Where exceptionally longer used and are r

ame as in conventional mixes but the binder is a very hardcial bitumen. Bitumen content lies around 5.6% where goodcking is required (e.g. with overlays), and around 4.5% whererutting is to be achieved.

0% for low bitumen contents, and 3 to 4% in mixes rich ines from 6 to 10 cm for a maximum aggregate size of 10 mma maximum size of 14 cm.

n here the test that was made on the circular track of LCPC toe of this high-modulus type of mix with that of two bituminousith medium-sized coarse aggregate but composed with differental penetration 60-70 bitumen and an SBS-modified bitumen.asses were required to rut the high-modulus mix as deeply aswith conventional bitumen, and five times as many to produce ainous concrete with SBS-modified bitumen. These results were their performance on a motorway for five years.

ype of bituminous mix appears to perform better and to beive than bituminous concrete with medium-sized coarseodified binder.

en could put mix design engineers in fear of low temperature this type of bitumen is specially manufactured in order not toature and experience has shown that cracking occurs at thein a conventional penetration 40/50 bitumen. It should bees are not used in wearing courses, but only in base courses.

ve resistance to flow rutting on sites with severe loadingituminous concretes with medium-sized coarse aggregatetics such as polyethylene from used electric cables.

Les granulats utilisés sont les mêmes que ceux des mélanges conventionnels mais leliant est un bitume spécial très dur, de pénétration 10-20. La teneur en bitume estvoisine de 5,6 % quand une bonne résistance à la fissuration par fatigue s’avèrenécessaire (cas des couches de renforcement, par exemple) et voisine de 4,5 %quand seulement une bonne résistance à l’orniérage par fluage s’impose.

La teneur en vides est de l’ordre de 8 à 10 % pour les faibles teneurs en bitume, alorsqu’elle est de 3 à 4 % pour les mélanges riches en liant. L’épaisseur varie de 6 à 10 cmpour un calibre maximum de 10 mm et de 7 à 12 cm pour un calibre maximum de 14 cm.

Il est intéressant de mentionner ici la comparaison du comportement entre ce type demélange et les bétons bitumineux semi-grenus qui a été faite sur le manège circulaire duLCPC. Ce type de mélange bitumineux à haut module a été comparé à deux mélangesse différenciant par la nature du bitume : un bitume conventionnel, de pénétration 60-70et un bitume modifié SBS. Pour obtenir le même orniérage il a fallu procéder à vingt foisplus de passages sur le mélange à haut module que sur le mélange de bétonbitumineux semi-grenu renfermant le bitume conventionnel et à cinq fois plus depassages que sur le béton bitumineux semi-grenu renfermant le bitume modifié SBS.

Ces résultats sont confirmés par le suivi du comportement sur autoroute depuis plus decinq ans. Ce type de mélange bitumineux à haut module apparaît donc plus performant eten général moins coûteux qu’un béton bitumineux semi-grenu à base de liant modifié SBS.

L’utilisation d’un bitume dur pourrait toutefois faire craindre un retrait à bassetempérature engendrant la fissuration mais ce type de bitume est fabriquéspécialement pour ne pas être fragile à base température et des expériences ontmontré que cette fissuration apparaissait à la même température que dans le cas d’unbitume conventionnel, de pénétration 40/50. Rappelons que ces mélanges ne sontpas utilisés en couche de roulement, mais seulement en couche de liaison.

Un autre moyen d’améliorer la résistance à l’orniérage par fluage pour le cas de sitesà sollicitation sévère est l’utilisation de bétons bitumineux semi-grenus avec additionde déchets plastiques comme le polyéthylène provenant d’anciens câbles électriques.

The aggregate is the s(penetration 10-20) speresistance to fatigue cragood resistance to flow

Voids content is 8 to 1binder. Thickness rangand from 7 to 12 cm for

It is interesting to mentiocompare the performancconcretes both graded wbitumens: a conventionTwenty times as many pthe bituminous concrete similar effect as in bitumconfirmed by monitoring

So this high-modulus tgenerally less expensaggregate and an SBS-m

The use of a hard bitumshrinkage cracking, butbe brittle at low tempersame temperature as reminded that these mix

Another way to improconditions is to use badmixed with waste plas

On peut donc conclure de l’expérience française que les changements de compositiondes enrobés denses conventionnels ont permis d’augmenter fortement la résistance àl’orniérage par fluage. Ces mélanges très rigides doivent être compactés en couchesépaisses (ce qui favorise l'obtention de la compacité) et à l’aide d’engins decompactage eff icaces. Pour les sites très soll icités, des mélanges moinsconventionnels tels que les mélanges à haut module, recouverts d’une couche de

It may, consequently, be concluded from French experience that changes to thecomposition of conventional dense bituminous mixes have yielded considerableimprovements in resistance to flow rutting. These very stiff mixes need to compactedin thick lifts (which are easier to compact) using efficient equipment. Where loadingconditions are very severe, less conventional mixes such as high-modulus mixesunder a very thin wearing course are an effective and inexpensive alternative.

OM various types of mix are used on highly stressed roads:

t 30% (HRA), a gap-graded sandy skeleton mix used in wearingains 35% of crushed stone, 55% of sand and 10% of filler. Thea penetration 50 grade and its content is about 8% by mass ofoids content lies around 4%. Surface skid resistance is provided

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roulement très mince, conduisent à une solution efficace et économique.

Au ROYAUME-UNI pour les routes subissant de fortes sollicitations on utilise plusieurstypes de mélanges :

- le hot rolled asphalt 30 % HRA qui est un type de mélange à squelette sableux et àgranularité discontinue, utilisé en couche de roulement ; il renferme 35 % de pierresconcassées, 55 % de sables et 10 % de fines ; le bitume utilisé est un bitume depénétration 50 à une teneur voisine de 8 % de poids du granulat ; la teneur en videsest d’environ 4 % ; la rugosité de cette couche de surface est assurée par un cloutage.

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In the UNITED KINGD

- hot-rolled asphalcourses. It contbitumen used is the aggregate. Vby chipping;

60% (HRA), a gap-graded sandy skeleton mix used in road aggregate is crushed stone, and it is made with about 5.6% aggregate) of penetration 50 bitumen;

bitumen macadam (HDM), a continuously graded sandy in road bases and in sub-bases. The bitumen used is a

de and its content is about 3.5% by mass of the dry aggregate.

n adopted for heavy traffic is composed of a wearing course in HRA, an upper road base in heavy-duty dense bitumen lower road base in hot-rolled asphalt 60% (HRA).

odified binders (polyethylene, rubber) is fairly widespread.re often used as aggregates. With basalt in road bases binder The sub-base may be composed with limestone aggregateer, and have a voids content of 3 to 4%.

courses have a maximum size ranging from 10 to 15 mm;und 6% and voids content between 2 and 3%.

GIUM have sandy skeletons and are characterized:

ate/sand volume ratio of 56/36, a penetration 50/60 bitumen and 7% by mass of the dry aggregate and a voids contentfor “type I” wearing courses (maximum aggregate size 14 or

ate/sand volume ratio of 35/53, a penetration 40/50 bitumenand 9% by mass of the dry aggregate and a voids contentfor “type II” wearing courses (maximum aggregate size 10 or

- le hot rolled asphalt 60 % HRA qui est un type de mélange à squelette sableux età granularité discontinue utilisé en couche de base ; 60 % des granulats sont despierres concassées et la teneur en bitume de pénétration 50 , rapportée au poidsde granulat sec, est voisine de 5,6 %.

- le bitumacadam dense pour fortes sollicitations HDM qui est un type de mélangeà squelette sableux et à granularité continue utilisé en couche de base et encouche de fondation ; le bitume utilisé est un bitume de pénétration 50 à uneteneur voisine de 3,5 %, rapportée au poids de granulat sec.

Une structure routière qui est souvent retenue pour les cas de trafics lourds secompose d’une couche de roulement “hot rolled asphalt 30 % HRA, d’une couche debase supérieure composée d’un “bitumacadam dense HDM” et une couche de baseinférieure composée d’un “hot rolled asphalt 60 % HRA”.

En ITALIE l’emploi de liants modifiés (polyéthylène, caoutchouc) est assez répandu.Les granulats utilisés sont souvent du basalte et du calcaire. Dans le cas de granulatsde basalte et pour les couches de base la teneur en liant est d’environ 4,5 %. La sous-fondation peut être à base de granulats de calcaire avec une teneur en liant voisine de5,2 % et une teneur en vides de 3 à 4%.

Les granulats dans les couches de roulement ont un calibre maximum allant de 10 à15 mm ; la teneur en bitume est voisine de 6 % et la teneur en vides se situe entre2 et 3 %.

En BELGIQUE les mélanges utilisés sont des mélanges à squelette sableuxcaractérisés par :

- un rapport volume pierres/volume sables = 56/36, une teneur en bitume 50/60rapportée en poids de granulats secs, comprise entre 5,7 et 7 % , une teneur envides comprise entre 2 et 5 % dans le cas des couches de roulement (type I -calibre maximum 14 ou 20 mm),

- un rapport volume pierres/volume sables = 35/53, une teneur en bitume 40/50 rapportéeen poids de granulats secs, comprise entre 8 et 9 % et une teneur en vides compriseentre 2 et 5 %, dans le cas des couches de roulement (type II - calibre maximum : 10 ou

- hot-rolled asphalt bases. 60% of its(by mass of the dry

- heavy-duty denseskeleton mix usedpenetration 50 gra

One road structure oftehot-rolled asphalt 30%macadam (HDM), and a

In ITALY the use of mBasalt and limestone acontent is about 4.5%.and about 5.2% of bind

Aggregates in wearingbitumen content lies aro

The mixes used in BEL

- by a coarse aggregcontent between 5.7between 2 and 5% 20 mm);

- by a coarse aggregcontent between 8 between 2 and 5%

17 mm) ; ce mélange utilisé en couche de surface est destiné à être clouté,

- un rapport volume pierres/volume sables = 58/35, une teneur en bitume 50/60rapportée en poids de granulats secs, comprise entre 4,5 et 5,5 %, une teneur envides comprise entre 2 et 7 % dans le cas des autres couches (type III).

Les anciennes spécifications relatives à ces mélanges favorisaient la durabilité (teneuren l iant élevée, faible teneur en vides) au détriment de la stabil i té (tout

17 mm); this mix for wearing courses is intended to be chipped;

- by a coarse aggregate/sand volume ratio of 58/35, a penetration 50/60 bitumencontent between 4.5 and 5.5% by mass of the dry aggregate and a voids contentbetween 2 and 7% for other (“type III”) courses.

The old specifications favoured durability (high binder content, low voids content) atthe expense of stability (especially for type I mixes). They were, consequently,

volume and no longer by mass;

raction and increasing the coarse aggregate fraction (type I);

uirement for a minimum bitumen content;

imum permissible percentage of voids from 0 to 2%;

nce of crushed sand in the sand fractions of mixes for wearing

p.75

particulièrement dans le cas des types I) aussi furent elles revues et conduisirent à :

- conception des mélanges à partir des volumes et non plus des masses,

- réduction de la fraction fines au profit de la fraction pierres (type I),

- suppression de la clause imposant une teneur minimum en bitume,

- augmentation de la valeur minimum admissible pour la teneur en vides de 0 à 2 %,

- nécessité pour la fraction sableuse de contenir du sable de concassage dans le casdes couches de roulement,

p.74

reviewed as follows:

- designing mixes by

- reducing the filler f

- abandoning the req

- increasing the min

- requiring the presecourses;

of 80/100 bitumens;

tests (for constituents) and designs (for mixes);

of road structures composed of a type II course directly on aad of road structures made up of a type I course on a type II rests on a type III course;

ers under exceptional loading conditions (e.g. on bridges with

e has to meet several criteria: cleanliness, shape, crushinge to polishing for wearing courses.

l criteria for the sand: cleanliness, shape, grading. A minimum is required for the sand fraction in wearing courses.

fy criteria for density, percentage of voids (Rigden), water.

is to comply with different grading specifications depending on

in practice to bring rutting under control could still be extended,ented above will suffice to illustrate what changes to bituminousn necessary in order to better reconcile durability and stabilityressive loading conditions.

ot be complete without any reference to porous asphalt (oram) mixes, although these have been more designed for safety

e) and comfort (noise abatement).

mixes rich in coarse aggregate (80% and more) and voids (20%

- suppression de l’emploi de bitumes 80/100,

- développement des essais de contrôle à priori (constituants) et études (mélanges),

- utilisation plus fréquente de structures routières composées d’une couche type IIreposant directement sur une couche type III au lieu de structures routièrescomposées d’une couche type II reposant sur une couche type I reposant elle-même sur une couche type III,

- utilisation de liants modifiés dans les cas exceptionnels de sollicitation (les ponts à dalles orthotropes par exemple).

Les pierres doivent répondre à plusieurs critères : propreté, forme, résistance àl’écrasement et, pour le cas des couches de roulement, résistance au polissage.

Les sables doivent également répondre à plusieurs critères : propreté, forme,granulométrie ; dans les couches de roulement la fraction sableuse doit contenir aumoins 40 % d’éléments concassés.

Les fines doivent répondre à des critères de densité, de pourcentage de vides(Rigden), de sensibilité à l’eau et au gonflement.

Le squelette minéral doit être conforme à des granularités différentes selon les typesde mélanges.

Il est encore possible d’étendre la liste des mélanges utilisés en pratique dans la luttecontre l’orniérage mais nous pensons que les exemples retenus ci-dessus illustrentbien les modifications qui ont dû être apportées à la conception des mélangesbitumineux afin de concilier davantage leur durabilité et leur stabilité vis-à-vis del’agressivité croissante des conditions de sollicitation.

Nous ne voudrions pas clore ce chapitre sans traiter du cas des enrobés drainantsbien que ces derniers aient été conçus davantage à des fins de sécurité (drainage deseaux de surface) et à des fins de confort (réduction du bruit).

De par leur conception ces mélanges à haute teneur en pierres (80 % et plus) et à

- abandoning the use

- developing a priori

- more frequent use type III course instecourse which in turn

- using modified bindorthotropic plates).

The coarse aggregatstrength, and resistanc

There are also severacrushed content of 40%

The filler has to satissensitivity and swelling

The mineral skeleton the type of mix.

The list of mixes used but the examples presmix designs have beeunder increasingly agg

This chapter would npervious coated macad(surface water drainag

By their design, these

haut pourcentage de vides (20 % et plus) constituent des mélanges à squelettepierreux offrant une bonne résistance à l’orniérage par fluage. Au point de vue de leurcomportement mécanique il importe de les utiliser dans des structures où ils netravaillent pas en traction de flexion car leur haut pourcentage de vides leur confèreune assez faible résistance à la fatigue.

Vu les avantages qu’offrent les enrobés drainants utilisés en couche de surface

and more) are stony skeleton mixes that offer good resistance to flow rutting. As formechanical performance they should be used in structures where they are not subjectto bending tensile stress, since their high percentage of voids makes them ratherpoorly resistant to fatigue.

Because of their advantages (drainability, noise abatement, resistance to rutting and courses, porous asphalt mixes are increasingly used in many

p.77

(drainabilité, réduction du bruit, résistance à l’orniérage et résistance au dérapage)ces mélanges sont de plus en plus utilisés dans beaucoup de pays.

p.76

skidding) in wearingcountries.

BITUMINOUS MIX DESIGN METHODS

ODUCTION

er is not intended to describe all the methods that are used to designmixes, but rather to insist on the need to reconsider some practices in viewirements made by the aggressivity of present-day traffic and to present aes of practical applications to meet those requirements.

erested in a detailed description of mix design methods now considered asl” may refer to the report on design methods and quality control formixes [33] prepared by RILEM Commission 56 MHM for a workshop heldance) in 1980.

INADEQUACY OF TRADITIONAL MIX DESIGN METHODS

g should be mentioned among the major traditional mix design methods:

ez-LCPC (Laboratoire central des Ponts et Chaussées, France) method

M (American Society for Testing and Materials) method [35 to 36],

(German standards) method [37] (which are all based on unconfined

VI . MÉTHODES DE FORMULATIONDES MÉLANGES BITUMINEUX

VI.1 INTRODUCTION

Le but de ce chapitre n’est pas de présenter une description exhaustive de toutes lesméthodes de formulation des mélanges bitumineux mais d’une part d’insister sur lanécessité qu’il y a de repenser certaines pratiques compte tenu des exigencesimposées par l’agressivité du trafic actuel et, d’autre part, de présenter quelquesexemples qui, dans les applications pratiques, vont dans ce sens.

Le lecteur intéressé par une description détaillée des méthodes de formulation,qualifiées aujourd’hui de “traditionnelles” est invité à se référer au rapport intitulé“Méthodes de formulation et contrôle de qualité des enrobés bitumineux” préparé parla Commission RILEM 56 MHM à l’occasion du Séminaire qui s’est tenu à Olivet(France) en 1980 [33].

VI.2 INSUFFISANCE DES MÉTHODES TRADITIONNELLES DE FORMULATION

Parmi les principales méthodes traditionnelles de formulation il faut citer :

- la méthode Duriez-LCPC (Laboratoire Central des Ponts et Chaussées) [34],

- la méthode ASTM (American Society for Testing and Materials [35 à 36],

- la méthode DIN (normes allemandes) [37] basées sur l’essai de compression

VI .

VI.1 INTR

This chaptbituminous of the requfew exampl

Readers int“traditionabituminous in Olivet (Fr

VI.2 THE

The followin

- the Duri[34],

- the AST

- the DIN

simple,

- la méthode Marshall [38],

- la méthode Hubbard - Field [39],

- la méthode Hveem [40 à 41],

compressive testing);

- the Marshall method [38];

- the Hubbard-Field method [39];

- the Hveem method [40 to 41];

ntation method [42 to 44].

idely used throughout the world is without any doubt the Marshall method.

present loading conditions for bituminous pavement layers, and because ofed need for reasons of safety and comfort to ensure many qualities such asurability, fatigue strength, flexibility, skid resistance, imperviousness, and compactibility, the very principles of those traditional methods must beed.

p.79

- la méthode par indentation [42 à 44].

La plus utilisée de par le monde est sans nul doute la méthode Marshall.

Compte tenu des conditions actuelles de sollicitation des couches bitumineuses deschaussées et la nécessité qu’il y a, notamment pour des raisons de sécurité et deconfort, de garantir les nombreuses qualités qu’elles requièrent davantage : stabilité,durabilité, résistance à la fatigue, flexibilité, résistance à la glissance, imperméabilité,ouvrabilité et compactibilité, les principes mêmes de ces méthodes traditionnellesdoivent être repensés.

p.78

- the inde

The most w

Under the the increasstability, dworkabilityreconsider

is that they can no longer adequately describe for practicall behave under present-day traffic conditions, and also that ity to pay particular attention to not only the mechanicalvolumetric characteristics of compacted mixes. From this itthe mode and intensity of compaction are vitally important ins for mix design studies.

ethods reckon with loads that are far from the actual loads.imes well (simple standard conditions), sometimes poorlyt the physical interpretation of the results can only be partial

Moreover, the samples used in mix design studies are notby volume) to the mixes laid on site.

rtainly been very useful in the past to avoid laying mixes thatto the role they were to play. Even today they make it possible but loading conditions have become such that they no longercess. We think the previous chapters have proved this point.

on traditional mix design methods, the results of an experimente presented here in order to quantitatively illustrate the the mode of compaction may have on mix design.

erning the design of bituminous mixes to be laid on airfield aircrafts (high inflation pressure: 22 bars), two modes of predict the composition by volume of bituminous mixes and

e basis of the results obtained: Marshall compaction (Military 100 - 75 blows) and compaction with the gyratory testing pressure: 20 bars, gyratory angle: 1°, 30 and 60 revolutions).

shall compaction exhibited poor stability in the form of rapid andose based on gyratory compaction proved to perform much better.

s difference in performance by the inadequacy of Marshallix designs with excessive binder contents, unlike compaction

La principale raison de cette situation est que ces méthodes ne peuvent plus, pour lesbesoins de la pratique, décrire suffisamment le comportement des mélanges lorsqu’ilssont soumis aux conditions actuelles de circulation et aussi parce qu’il est devenuindispensable d’attacher une attention toute particulière non seulement aux propriétésmécaniques mais aussi aux caractéristiques volumétriques des enrobés compactés. Uneconséquence immédiate est l’importance capitale que jouent le mode et l’intensité ducompactage dans la préparation des échantillons utilisés dans les études de formulation.

Les méthodes traditionnelles de formulation mettent en jeu des sollicitations éloignéesdes sollicitations réelles. Ces sollicitations sont parfois bien définies (cas desollicitations types simples) mais aussi parfois mal définies . Il en résulte quel’interprétation physique des résultats ne peut être que partielle, voire mêmeimpossible. De plus, les échantillons utilisés dans les études ne sont pas les mêmes(composition volumique) que les mélanges mis en œuvre.

Certes, dans le passé, ces méthodes ont rendu de grands services en évitant l’emploide mélanges manifestement inadaptés au rôle qu’on désirait leur faire jouer.Aujourd’hui, elles permettent encore d’éviter les “grosses” erreurs mais les conditionsde sollicitation sont devenues telles qu’elles n’offrent plus une garantie suffisante deréussite ; nous pensons que les données des chapitres précédents en sont la preuve.

Pour clore ce paragraphe consacré aux méthodes traditionnelles de formulation nousvoudrions, sur base des résultats d’une expérience effectuée aux USA [45] mettrequantitativement en évidence l’influence considérable que peut jouer le mode decompactage en matière de formulation.

Dans cette expérience concernant la formulation de mélanges bitumineux mis enœuvre sur des pistes d’un aérodrome devant supporter l’action d’avions F-15C/D(haute pression de gonflage : 22 bars) deux modes de compactage ont été utiliséspour prévoir la composition volumétrique des enrobés et choisir leur formule enfonction des résultats obtenus : le compactage Marshall (Military Standard 620A,method 100 - 75 coups) et le compactage à la presse à cisaillement giratoire (ASTM D 3387) ; pression 20 bars, 1° d’angle de giration, 30 et 60 révolutions).

The main reason for thispurposes how mixes wilhas become necessarproperties but also the immediately follows that the preparation of sample

Traditional mix design mThese loads are sometdefined. This means thaor even be impossible. identical (in composition

These methods have cewere obviously unsuited to prevent “major” errors,sufficiently guarantee suc

To conclude this section in the USA [45] may bconsiderable effect which

In this experiment concstrips carrying F-15C/Dcompaction were used toselect their design on thStandard 620A method,machine (ASTM D 3387;

The mixes based on Marsevere rutting, whereas th

The authors explain thicompaction leading to m

Les mélanges fondés sur le compactage Marshall ont montré un manque de stabilitéqui s’est traduit par un orniérage rapide et important tandis que les mélanges fondéssur le compactage à la presse à cisaillement giratoires se sont révélés beaucoup plusperformants.

Les auteurs expliquent cette différence de comportement par le fait que le compactageMarshall est insuffisant et que l’application de la méthode de formulation Marshall

with the gyratory testing machine. Figure 15 taken from ref. [45] indicates goodagreement between field compaction (laying and trafficking) and gyratory compaction.

p.81

COMPACITÉ F-15 COMPACTION (% TMD)

conduit ainsi à un excès de liant. Ce qui n’est pas le cas avec le compactage à lapresse à cisaillement giratoire. La figure 15 extraite de la réf. [45] montre la bonnecorrespondance entre le compactage in situ (mise en œuvre et trafic) et lecompactage à la presse de cisaillement giratoire.

p.80

Figure 15 - Compacité labo et Compacité in situ [45]➜

Figure 15 - Laboratory versus field density [45]

NEW MIX DESIGN METHODS

xisting methods

view the main difficulty in developing bituminous mixes whichresent-day loading conditions is that the study has often to beries which do not have the necessary scientific equipment.s the measures taken to control rutting have consisted ofxisting methods (most often the Marshall method). This hasging the procedures, which have in some countries beenore more mechanical tests such as the wheel tracking test Austria) or the creep test (e.g. in Poland and Italy).

l mix design methodsn

ntrol, some countries have preferred to gradually break withnd have developed mix design methods based on newhe results of work involving field observations and researchtter understanding of rutting mechanisms. Four examples ofnted below: the French method (LCPC method utilizing tests), the Belgian method (recommendations of the Belgian RoadFinnish method (ASTO model) and the American method

method [46 to 48]

r in France that the Marshall mix design method was not sufficiently stable to resist heavy 13-t axles. A new methodped by the Laboratoire central des Ponts et Chausséesventies the use of this new method was prescribed to theratories of the Ministry of Public Works. Laboratories of

VI.3 EXEMPLES DE MÉTHODES NOUVELLES DE FORMULATION

VI.3.1 Extension des méthodes existantes

D’un point de vue pratique, la principale difficulté rencontrée dans la mise au point demélanges bitumineux devant résister aux conditions sévères imposées par les sollicitationsactuelles est que l’étude doit souvent être faite par de petits laboratoires dépourvus desappareils scientifiques nécessaires. Si bien que dans beaucoup de pays les mesuresprises dans la lutte contre l’orniérage ont consisté à procéder à des “ajustements” desméthodes existantes (le plus généralement, la méthode Marshall) et ce par unemodification des modes opératoires auxquels est parfois ajouté un ou plusieurs essaismécaniques supplémentaires tels que l’essai à l’orniéreur (par exemple, cas de l’Espagne,du Japon et de l’Autriche), l’essai de fluage (par exemple, cas de la Pologne et de l’Italie).

VI.3.2 Nouvelles méthodes pratiques de formulationVI.3.2.1 Introduction

Dans la lutte contre l’orniérage certains pays ont préféré rompre progressivementavec les méthodes existantes et ont mis au point des méthodes de formulationfondées sur de nouveaux principes découlant des résultats de travaux liés auxobservations faites in situ ainsi qu’aux activités de recherches effectuées en vue d’unemeilleure maîtrise des mécanismes d’orniérage. Nous traiterons ci-dessous et à titred’exemple de quatre cas bien déterminés, à savoir : la méthode française (méthodeLCPC uti l isant des essais normalisés par l ’AFNOR), la méthode belge(recommandations du Centre de Recherches routières), la méthode finlandaise(modèle ASTO) et la méthode américaine (SHRP Superpave).

VI.3.2.2 La méthode française [46 à 48]

En 1960 il est apparu clairement en France que la méthode de formulation Marshall neconduisait pas à des mélanges suffisamment stables pour résister à l’action des essieuxlourds de 13 kN. Dès lors, une nouvelle méthode de formulation a été développée par leLaboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC). A la fin des années soixante-dixl’usage de cette méthode a été prescrit aux dix-sept laboratoires régionaux du Ministère

VI.3 EXAMPLES OF

VI.3.1 Extension of e

From a practical point ofare to resist the severe pmade by small laboratoHence in many countriemaking adjustments to ebeen achieved by chansupplemented with one (e.g. in Spain, Japan and

VI.3.2 New practicaVI.3.2.1 Introductio

To bring rutting under cothe existing methods aprinciples derived from tactivities to achieve a besuch methods are presestandardized by AFNORResearch Centre), the (SHRP - SUPERPAVE).

VI.3.2.2 The French

In 1960 it became cleayielding mixes that werewas, therefore, develo(LCPC). Late in the seseventeen regional labo

des Travaux Publics. Vu l’efficacité de cette nouvelle méthode, des laboratoiresd’entreprises et de compagnies pétrolières commencèrent également à l’utiliser.Aujourd’hui les spécifications figurant dans les normes sur les enrobés bitumineux sontexprimées à partir des résultats des essais utilisés dans cette méthode.

Dans cette méthode, l’accent est mis sur la résistance à l’orniérage (stabilité) sanspour autant négliger les autres propriétés (durabilité). La méthode comprend deux

private firms and oil companies also began to use it, because of its effectiveness.Specifications laid down in standards for bituminous mixes are now expressed interms of results to be achieved in the tests utilized by this method.

Emphasis in the new method is on resistance to rutting (stability) without, however,neglecting other properties (durability). The method comprises two major steps. The

ng the volumetric composition of the compacted mix. Theimentally verifying the mechanical properties of the mix.

e

ition of the mix is of capital importance for its stability ande voids content of a compacted bituminous concrete mix withgregate (0/14) must not be lower than 4%, as the mix would

p.83

grandes étapes. La première étape consiste en une étude de la compositionvolumétrique du mélange compacté. La deuxième étape consiste en la vérificationexpérimentale des propriétés mécaniques du mélange.

• Composition volumétrique

La composition volumétrique du mélange est d’une importance capitale pour sa stabilitéet sa durabilité. C’est ainsi que pour un béton bitumineux semi-grenu 0/14 lepourcentage de vides dans le mélange compacté ne peut être inférieur à 4 % car, si

p.82

first consists of designisecond consists of exper

• Composition by volum

The volumetric composdurability. For example thmedium-sized coarse ag

ontent dropped below 2 to 3% as a result of postcompaction;oids content must not exceed 8% in order to ensure durabilitysistance to ageing).

enough to resist postcompaction by traffic, and must be laidon equipment that is operative on thick lifts.

he mix design study a test must be used which is capable ofpactibility of the mix and also makes it possible to predict thet will be obtained when the mix is laid on site.

ompaction with the gyratory shear compactor (NFP 98-252).ade above (e.g. for bituminous concrete with medium-sized

14): voids content between 4 and 8%) is checked for byof gyrations set in each standard for bituminous mixes andr thickness in mm (e.g. 80 gyrations for bituminous concretese aggregate (0/14), which is generally laid in lifts of 80 mm).

have the additional advantage of providing information on mixge of voids is too low after ten revolutions, the mix is bound tos been specified for dense bituminous mixes that voids content1% after ten revolutions.

mpactor test offers good repeatability and reproducibility andutes for one determination (the reported result, however, is tost three repetitions).

and fatigue strength the specifications also require a minimumthe specified minimum binder content the percentage of voidsory shear compactor test is too low, the grading of the mix mustducing the percentage passing the 2-mm sieve or increasingd fraction).

sous l’effet du postcompactage ce pourcentage descend en-dessous de 2 % à 3 %, lemélange perd sa stabilité. D’autre part le pourcentage de vides ne peut être supérieur à8 % afin de garantir la durabilité (résistance en fatigue) et la résistance au vieillissement.

Le mélange doit être assez rigide pour résister au post compactage par le trafic et samise en œuvre nécessite le recours à des engins de compactage efficaces quiopèrent sur des couches épaisses.

Il résulte des objectifs poursuivis que dans l’étude de formulation il est nécessaire derecourir à un essai capable de caractériser la compactibilité du mélange et quipermette aussi de prévoir le pourcentage de vides qui sera obtenu lorsque le mélangesera mis en œuvre.

L’essai retenu est l’essai de compactage à l’aide de la presse à cisaillement giratoire(NFP 98-252). La double condition définie ci-dessus (pourcentage de vides comprisentre 4 et 8 % pour un béton bitumineux semi-grenu 0/14 par exemple) est vérifiéepour un nombre de girations fixé dans chaque norme d’enrobés, et égal en général àl’épaisseur de la couche exprimée en mm : par exemple 80 girations pour un bétonbitumineux semi-grenu 0/14 qui est en général utilisé en 80 mm d’épaisseur).

Les résultats de cet essai ont aussi l’avantage de donner des informations sur la stabilitédu mélange : si le pourcentage de vides après dix révolutions est trop petit le mélangesera certainement instable. C’est ainsi par exemple que pour les enrobés denses lepourcentage de vides prescrit doit être supérieur à 11 % après dix révolutions.

L’essai à la presse de cisaillement giratoire offre de bonnes répétabilité etreproductibilité et il dure moins de dix minutes pour une détermination (cependant lerésultat est la moyenne d’au moins trois répétitions).

Afin de garantir la durabilité et la résistance à la fatigue du mélange, les spécificationsexigent aussi un minimum de teneur en liant. Si, avec le minimum de liant prescrit, lepourcentage de vides déterminé lors de l’essai à la presse à cisaillement giratoire esttrop petit, la granularité utilisée doit être changée (par exemple, diminution dupourcentage de passant à 2 mm ou augmentation de l’angularité de la fraction sable).

lose its stability if this con the other hand, its v(fatigue strength and re

The mix must be stiff using efficient compacti

All this means that in tcharacterizing the compercentage of voids tha

The test opted for is cThe double condition mcoarse aggregate (0/performing a number generally equal to layewith medium-sized coar

The results of this test stability: if the percentabe unstable. Thus it hashould be higher than 1

The gyratory shear cotakes less than ten minbe the average of at lea

To guarantee durability binder content. If with determined in the gyratbe changed (e.g. by rethe angularity of the san

Cette première étape de la méthode de formulation conduit à retenir un petit nombrede compositions optimisées sur l’aptitude à être convenablement compactées surchantier (respect d’une composition volumique) qui sont ensuite soumises à desessais mécaniques.

• Essais mécaniques

This first step in the mix design method narrows down the choice to a small number ofcompositions optimized for adequate compactibility on site (meeting requirements forcomposition by volume, which are then subjected to mechanical tests).

• Mechanical tests

to rutting is carried out with the LCPC wheel tracking tester. This-253-1) consists of subjecting a slab of bituminous material 500 and 100 or 50 mm thick to the action of a wheel (with a smoothpressure of 0.6 MPa and loaded to 5000 N) rolling to and fro ater second. The test is performed in a thermostatically controllederature specified in the relevant standard for bituminous mixes log/log graphic representation of percentage of rutting againstnerally a straight line for a material that performs well for rutting.

p.85

L’essai de vérification de la résistance à l’orniérage se fait à l’aide de l’orniéreur LPC.Cet essai normalisé (NFP 98-253-1) consiste à soumettre une plaque d’enrobé de500 mm de longueur, de 180 mm de largeur et de 100 mm ou 50 mm d’épaisseur àl’action d’une charge roulante (pneu lisse, pression de gonflage 0,6 MPa, charge5 000 N) à raison d’un aller-retour par seconde. L’essai est effectué dans une enceinteà la température fixée dans les normes sur les enrobés (en général 60 °C). Legraphique en coordonnées log/log du pourcentage d’ornière en fonction du nombre decycles est généralement une droite pour un matériau résistant bien à l’orniérage.

p.84

The test for resistance standard test (NFP 98mm long, 180 mm widetread tyre inflated to a the rate of one cycle penclosure, at the temp(generally 60°C). Thenumber of cycles is ge

variations in characteristics and nature of mix constituents.res 16 and 17 from ref.[48] and [49] for the angularity of the

f the binder, respectively. It offers good repeatability and

art of the French methodology for bituminous mix design, andations for each category of standardized bituminous mixes toto rutting. For example, rut depth in a bituminous concreteix withggregatem after

in a test

are usedces, forn of theing thers from

his case,strengthined toot crackdesign

t

ure andthe sandderable to flow

ility of a

DIMENSIONS (MM)

Funnel

Shutter

L’essai est sensible auxvariations des caractéristiquesdes constituants et de leurnature comme le montrent lesfigures 16 et 17 extraites desréf. [48,49] et qui sontrespectivement relatives àl’influence de l’angularité dusable et de la nature du liant. Ilpossède une très bonnerépétabilité et reproductibilité.

Cet essai, partie intégrante de laméthodologie française deformulation des mélangesbitumineux, fait l’objet despécifications pour chaquecatégorie d’enrobés normalisés

de manière à garantir leurrésistance à l’orniérage : parexemple pour un bétonbitumineux semi-grenu decouche de roulement, laprofondeur d’ornière ne peutêtre supérieure à 10 mm après30 000 cycles de chargementdans un essai à 60 °C.

D’autres essais mécaniquessont aussi uti l isés dans descirconstances spéciales commepar exemple dans le cas où ledimensionnement de la structure

Figure 16 - Influence de la proportion d’un sable de mauvaise angularité sur la profondeur d’ornière

(essai à l’orniéreur LCPC) [48]

Figure 16 - Influence of the proportion of sand of poorangularity on rut depth (LPC wheel tracking test) [48]

% D

'OR

NIE

RE

/ %R

UT

TIN

G

NOMBRE DE CYCLES / NUMBER OF CYCLES

Figure 17 - Influence de la nature du liant sur laprofondeur d’ornière (essai à l’orniéreur LPC) [48]

Figure 17 - Influence of the nature of the binder on rut depth (LPC wheel tracking test) ([48]

% D

'OR

NIE

RE

/ %R

UT

TIN

G

NOMBRE DE CYCLES / NUMBER OF CYCLES

The test is sensitive to This is illustrated by figusand and the nature oreproducibility.

This test is an integral pis the subject of specificensure their resistance wearing course mmedium-sized coarse amust not exceed 10 m30,000 loading cycles performed at 60 °C.

Other mechanical tests in special circumstaninstance when the desigroad structure containbituminous layer diffeconventional design; in tthe moduli and fatigue of the mix are determmake sure that it will nwhen laid to the thickness.

• Determining the outflow coefficienof the sand fraction

Since the surface textangularity of particles in fraction have a consieffect on the resistancerutting and the workab

routière contenant la couche

bitumineuse diffère du dimensionnement conventionnel et où il est alors procédé à ladétermination des modules et de la résistance à la fatigue du mélange afin de s’assurerqu’il ne subira pas de fissuration par fatigue lorsqu’il est employé à l’épaisseur prévue.

• Détermination du coefficient d’écoulement de la fraction sableuse

bituminous mix, the outflow testhas been selected tocharacterize this texture andangularity in an overall way.

The test consists of measuringf a sand -seconds, through

one of a of thented in

OR-NFPescribing

p.87

Figure 18 - Essai d’écoulement des sables

Figure 18 - Outflow test for sands

Receiver

La texture de surface et l’angularité des grains de la fraction sableuse ayant uneinfluence importante sur la résistance à l’orniérage par fluage et sur la maniabilité d’unmélange bitumineux, l’essai d’écoulement a été retenu pour caractériser globalementcette texture et cette angularité.

L’essai consiste à mesurer le coefficient d’écoulement d’un sable c’est-à-dire, le tempsd’écoulement, exprimé en secondes, d’une masse donnée de sable à travers l’orificecalibré d’un entonnoir. Le schéma de l’appareil est donné sur la figure 18 extraite de lanorme AFNOR-NFP 18564/1980 relative à cet essai.

p.86

the outflow coefficient oi.e. the time of flow, in of a given mass of sandthe calibrated outlet cfunnel. A schemeequipment is presefigure 18 (from AFNstandard 18564/1980 dthis test).

ian method [50 to 52]

od recommended by the Belgian Road Research Centre andes comprises two steps: an analytic determination of the basiccting the materials and checking their compliance with well-s, and a verification of this basic composition through a

ts in applying the computerized analytic method (PRADOd in Chapter IV “An analytic approach to devising measures toituminous mixes - Optimization of compositions”. The object ofine the volume available (IA) for the mastic (filler + binder)

ates (stone + sand), while taking account of the requiredin the compacted mix. It is also aimed at determining thestic with a view to giving it a well-defined consistency. The for that purpose are:

f the bitumen;

er of the filler, which is determined by the variation in ring-and-rature caused by the addition of different quantities of filler, and

ercentage of voids in the dry compacted filler (according to

lume ratio.

dy has, indeed, shown [52] that the rise in ring-and-ballociated with the addition of a volume, f, of filler to a volume, b,

n of the volume ratio K = f/b and the percentage of voids (VF) instatistical interpretation of the results obtained in that study led:

= f =(100 - VF%) . ∆RB

b (1021,2 + ∆RB . V %)

VI.3.2.3 La méthode belge [50 à 52]

La méthode de formulation recommandée par le Centre de Recherches routières etcertaines Administrations belges comprend deux étapes : une déterminationanalytique de la composition de base et ce, après avoir procédé au choix desmatériaux et à leur caractérisation conformément à des spécifications biendéterminées et une vérification de cette composition de base au moyen d’un essaimécanique.

La première étape consiste en l’application de la méthode analytique informatisée(logiciel PRADO) [51] présentée dans le paragraphe 4 du chapitre IV “Approcheanalytique des dispositions à prendre pour assurer la stabilité des mélangesbitumineux. Optimalisation des compositions”. Cette étape a pour but de déterminer levolume disponible (lD) entre les granulats (pierres + sables) pour le mastic (fines + liant)compte tenu du pourcentage de vides désiré dans le mélange compacté. Elle a aussipour but de déterminer la composition du mastic en vue de conférer à celui-ci uneconsistance bien déterminée. Pour ce faire, les paramètres pris en considération, sont :

- les caractéristiques du bitume,

- le pouvoir rigidifiant des fines, déterminé par la variation de la température deramollissement bille et anneau résultant de l’ajout de différentes quantités de fineset qui est liée au pourcentage de vides de la fraction fine compactée à sec (selonRidgen),

- le rapport des volumes fines/bitume.

Une étude expérimentale a en effet montré [52] que l’accroissement de la températurebille et anneau (∆AB) associée à un volume f de fines ajouté à un volume b de bitumeétait fonction du rapport des volumes (K = f/b) et du pourcentage de vides (VF) de lafraction fine. L’interprétation statistique des résultats a conduit à la formule suivante :

K = f =(100 - VF%) . ∆AB

b (1021,2 + ∆AB . V %)

VI.3.2.3 The Belg

The mix design methsome Belgian authoriticomposition after seledefined specificationmechanical test.

The first step consissoftware) [51] presenteensure the stability of bthis step is to determbetween the aggregpercentage of voids composition of the maparameters considered

- the characteristics o

- the “stiffening” powball softening tempeis related to the pRigden);

- the filler/bitumen vo

An experimental stutemperature (∆RB) assof bitumen is a functiothe fine fraction. The to the following formula

K

F

caractérisée par un coefficient de corrélation de 0,94 pour 208 résultats.

Le tableau II et la figure 19 extraits de la réf. [50] établis à partir de cette formuledonnent des résultats typiques pour les applications.

F

with a correlation coefficient of 0.94 for 208 results.

Table II and figure 19 from ref.[50], which are based on this formula, show typicalresults for applications.

n that the most satisfactory compositions give the mastic anall temperature (∆RB) between 12 and 16°C. It should further overfilling and ensure durability (resistance to fatigue and wear,sion of surface treatment chippings if any), the mastic must been, which means relatively poor in filler since f + b has to ben the other hand, a stiff mastic is necessary for stability. Thehese two conditions, as can be seen in figure 19, is to use a finecentage of voids, VF.

p.89

L’expérience indique que les compositions de mastic les plus satisfaisantes confèrentau mastic un accroissement de température bille et anneau (∆AB) compris entre 12 et16 °C. Notons encore que pour éviter le surremplissage et garantir la durabilité(résistance à la fatigue et à l’usure, l’imperméabilité, l’accrochage des pierres decloutage éventuelles) il faut un mastic relativement riche en bitume et doncrelativement pauvre en fines puisqu’il faut que f + b = Cste ≤ lD. Par contre, il faut unmastic rigide pour assurer la stabilité. La façon la plus simple de concilier ces deuxconditions est, comme le montre la figure 19, d’utiliser une fraction fine caractériséepar un pourcentage de vides VF élevé.

p.88

Experience has showincrease in ring-and-bbe noted that to avoidimperviousness, adherelatively rich in bitumconstant and ≤ IA. Osimplest way to meet tfraction with a high per

verify the basic composition obtained from the analytic a mechanical test. The test opted for is the Marshall test, mix by five quantities: voids in the mix (Vm, in %), stabilityn mm), a quotient (Qm = Pm/Fm, in N/mm), and voids inone + sand + filler) filled with bitumen in the state of the test specimen (aGm, in %). Observations and studies of

TABLE IIaleurs du rapport volumique K = f/b tion des vides des fines vF et de ∆AB [50]

Values of the volume ratio K = f/b ction of voids in the filler vF and ∆RB [50]

10.

.53

.51

.48

.46

.44

.42

.40

.38

.36

.35

.33

12.

.61

.58

.55

.53

.50

.48

.46

.43

.41

.39

.37

14.

.68

.65

.62

.59

.56

.53

.50

.48

.45

.43

.41

16.

.75

.71

.67

.64

.61

.58

.55

.52

.49

.47

.44

18.

.81

.77

.73

.69

.65

.62

.59

.56

.53

.50

.47

20.

.86

.82

.78

.74

.70

.66

.62

.59

.56

.52

.49

Accroissement de AB (∆ AB) / Increase in RB (∆ RB)

La deuxième étape consiste à vérifier la composition de base fondée sur la méthodeanalytique, à partir d’un essai mécanique. L’essai qui a été retenu ici est l’essaiMarshall qui conduit à caractériser le mélange par cinq grandeurs qui sont : lepourcentage de vides dans le mélange (Vm en %), la stabilité (Pm en N), le fluage(Fm en mm), le quotient (Qm = Pm/Fm en N/mm) et le pourcentage de vides du granulatpierres + sables + fines occupé par le bitume dans l’état de compactage tel que

Accroissement de AB (∆ AB) / Increase in RB (∆ RB)

VF,

vide

s du

fill

er (

%)

v

oids

in

fille

r (%

)

K=f/b (par volume /by volume)

Figure 19 - Accroissement de la température bille et anneau en fonction du rapport fines/bitume et des vides des fines [50]

Figure 19 - Increase in ring-and-ball temperature with the filler/bitumen ratio and voids in the filler [50]

The second step is tomethod, by carrying outwhich characterizes the(Pm, in N), flow (Fm, imineral aggregate (stcompaction achieved in

TABLEAU II V

en fonc

as a fun

v F %

30.32.34.36.38.40.42.44.46.48.50.

réalisé dans l’éprouvette (gRm en %). L’observation et l’étude du comportement decouches bitumineuses posées sur routes réelles a conduit à définir pour troiscatégories de routes (autoroutes + routes primaires, routes secondaires et routessecondaires à faible trafic) des valeurs seuils pour ces différentes grandeurs ; cesvaleurs sont présentées dans le tableau III [50].

the field performance of bituminous layers have led to threshold values being setfor these different quantities according to the category of road (motorway or primaryroad, secondary road, low-volume secondary road); these values are presented intable III [50].

satisfied during the experimental verification, the basicvised and the analytic study started over again.

s, the use of the Marshall test could be raised as an objectionethod. It should be emphasized in this respect that although

e Marshall test for its experimental verification, it is not theethod since the basic composition is determined from the criteria set for the various quantities to be measured haves on mixes which performed well in practice.oftware referred to above has been developed to make the

p.91

Si lors de la vérification expérimentale les critères ne sont pas satisfaits il importe derevoir la composition de base et de recommencer l’étude analytique.

En fonction de ce qui a été dit précédemment on pourrait objecter à cette méthode deformulation le recours à l’essai Marshall. Il importe à ce sujet de souligner que si laméthode de formulation repose, pour ce qui est de sa vérification expérimentale, surl’essai Marshall elle n’est cependant pas la méthode de formulation Marshall car d’unepart la composition de base est déterminée à partir de la méthode analytique etd’autre part les critères retenus pour les différentes grandeurs mesurées sont déduits d’études de mélanges qui se sont bien comportés en pratique.

p.90

If the criteria are not composition should be re

In view of earlier remarkagainst this mix design mthe method relies on thMarshall mix design manalytic method and thebeen derived from studieThe PRADO computer s

cations pour liants, , mélanges,

cations for binders, mixes,

u liant retenu,the selected binder,

STO = caractéristiques des pierres,characteristics of stones,

FIL = caractéristiques des fines,characteristics of fillers,

GRA = caractéristiques granulométriquesgrading characteristics

Pm (N)Fm (mm)Qm (N/mm)Vm (%)gRm (%)

Pm (N)Fm (mm)Qm (N/mm)Vm (%)gRm (%)

Pm (N)Fm (mm)Qm (N/mm)Vm (%)gRm (%)

Pm (N)Fm (mm)Qm (N/mm)Vm (%)gRm (%)

min.

8 0002

2 8003

70

6 5002,5

2 0002

75

8 0001,75

3 0003

60

-----

min.

7 5002

2 5002,5

70

6 0002,5

2 0002

75

7 5002

2 5002,5

60

7 5002

2 5002,5

70

min.

6 0002

2 0002

70

-----

5 0002

2 0002

65

6 0002

2 0002

70

max.

-4,5-5

83

-6-4

87

-4-7

80

-----

max.

-4,5-5

83

-6-4

90

-4-7

80

-4,5-583

max.

-4,5-5

85

-----

-4,5-7

85

-4,5-585

BétonasphaltiqueType I(Couched’usure)

BétonasphaltiqueType II à clouter(Couched'usure)

BétonasphaltiqueType III(Couche de liaison)

BétonasphaltiqueType IV(Couched'usure)

Type IAsphaltconcrete(wearingcourse)

Type IIAsphaltconcretefor chipping(wearingcourse)

Type IIIAsphaltmix(basecourse)

Type IVAsphaltconcrete(wearingcourse)

Pm (N)Fm (mm)Qm (N/mm)Vm (%)aGn (%)

Pm (N)Fm (mm)Qm (N/mm)Vm (%)aGn (%)

Pm (N)Fm (mm)Qm (N/mm)Vm (%)aGn (%)

Pm (N)Fm (mm)Qm (N/mm)Vm (%)aGn (%)

TABLEAU III TABLE IIICritères proposés pour la formulation des enrobés bitumineux

Suggested criteria for bituminous mix design

Autoroute +route primaire

Motorway +primary road

ParamètreMarshall

Type de chaussée / Category of road

Routesecondaire

Secondaryroad

Routesecondaire àtrafic faible

Low-volumesecondary

road

Typed'enrobé

Marshallparameter

Type of mix

SPL, SPS, SPM = spécifisables

SPB, SPS, SPM = specifisands,

BIN = caractéristiques dcharacteristics of

N.B.Ces pourcentages de vides ne sont pas àconfondre avec des valeurs qui serontrecommandées sur les carottes prélevées de laroute. Il faut en effet tenir compte ici desdifférences de maniabilité et d’aptitude aucompactage des divers mélanges.

N.B.These percentages of voids are distinctfrom the values that would berecommended for core samples from theroad, since the workabil i ty andcompactibility of the various mixes haveto be considered in that case.

alytic method easier to use. A block diagram of this software is presented inure 20. It consists of five programmes which are to put out information in numericald graphic form:

- investigating the characteristics of the binder and its compliance with specifications,

- investigating the grading of a sand or a mix of sands,

- composing a mix of aggregates in accordance with a target grading curve,

p.93

Figure 20 - Schéma du logiciel PRADO

Figure 20 - Block diagram of the PRADO software

SND = caractéristiques du sable,characteristics of sands,

Comme signalé ci-dessus le logiciel PRADO dont le schéma est présenté à lafigure 20 a été développé dans le but de faciliter la mise en pratique de la méthodeanalytique. Il comprend cinq programmes destinés à fournir des informations sousforme numérique et graphique :

- étude des caractéristiques du liant et de sa conformité vis-à-vis des spécifications,

- étude de la granularité d’un sable ou d’un mélange de sables,

- étude de la composition d’un mélange de granulats d’après une distributiongranulométrique pré-déterminée,

p.92

anfigan

nts of constituents (stone, sand, filler, binder),

anical properties of the mix (moduli, fatigue law, permanent means of predictive laws established from studies involving triaxial repeated compression tests on several mixes.

method [53]

n system

n system has three levels. Level I is used in common casesare well-known; the result is a formula based on volumetric estimation based on the ASTO models. Level II is needed toater sensitivity properties. Level III comprises measurementsigue, stiffness and low-temperature cracking).

lumes and the compaction properties

volume the aim is to have binder content, voids in mineralds filled with binder (VFB), and the voids content of thece.

mpaction is important because VMA is to be minimized in the.

grading curve of the aggregate is determined, depending on be achieved with the mix. Then VMA is determined froms carried out with three bitumen content values. The numberuch that the density of the mix stops increasing during the test.the grading should be changed. After that, VFB is adjusted (in

- détermination du dosage des constituants (pierres, sables, fines, liant),

- évaluation des propriétés mécaniques de l’enrobé (modules, loi de fatigue, loi dedéformation permanente) sur base des lois prévisionnelles qui ont été établies àpartir de l’étude de plusieurs mélanges à l’aide d’essais de flexion répétée etd’essais triaxiaux de compression répétée.

VI.3.2.4 La méthode finlandaise [53]

• Système fonctionnel de formulation

Le système fonctionnel de formulation de la méthode finlandaise comporte troisniveaux. Le niveau I est utilisé dans les cas courants où les constituants sont bienconnus. Le résultat est une formule basée sur les définitions volumétriques et uneestimation de la durée de vie basée sur les modèles ASTO. Le niveau II estnécessaire pour contrôler les propriétés en matière d’orniérage et de susceptibilité àl’eau. Le niveau III comprend des mesures à des fins spécifiques (fatigue, rigidité etfissuration aux basses températures).

• Méthode basée sur le volume et les propriétés du mélange en matière de compactage

La méthode de formulation conduit à la détermination de la composition volumiquedes enrobés tout particulièrement pris en considération : la teneur volumique enbitume, le pourcentage de vides entre les granulats (VMA), le pourcentage de videsremplis par le bitume (VFB) ; le pourcentage de vides dans le mélange compacté.

Le contrôle de vides dans le mélange compacté en cours de compactage estimportant car on cherche à minimiser les vides entre les granulats.

On procède en premier lieu au choix de la courbe granulométrique en fonction des propriétésrecherchées pour le mélange. On détermine ensuite le pourcentage de vides entre lesgranulats à partir d’essais de compactage effectués à l’aide d’une presse à cisaillementgiratoire et pour trois teneurs en bitume différentes. Le nombre de girations à réaliser doit êtretel qu’au cours de l’essai la compacité du mélange cesse d’augmenter. Si tel n’est pas le casil y a lieu de changer la courbe granulométrique. On procède alors à la fixation du

- determining the conte

- evaluating the mechdeformation laws) byrepeated bending and

VI.3.2.4 The Finnish

•Functional mix desig

The functional mix desigwhere the constituents definitions and a lifetimecheck the rutting and wfor special purposes (fat

• Method based on voof the mix

In designing mixes by aggregate (VMA), voicompacted mix in balan

In addition, control of coprocess of proportioning

In this process first thewhat properties are togyratory compactor testof gyrations should be sIf this does not happen, most cases to 85%).

pourcentage de vides remplis par le bitume (dans la plupart des cas VFB = 85 %).

• Dosage des mélanges à granularité continue

Le dosage de la courbe granulométrique la plus dense est basé sur la formule :

P = 100 x (d/D)n

• Proportioning continuously graded mixes

Proportioning of the densest aggregate curve is based on the formula:

P = 100 x (d/D)n

passing of particle size d, D = maximum particle size (mm), (mm), n = an exponent.

g leads to a relatively low VMA; this is not always good fors a certain amount of bitumen without the latter dislocating theiew of this, the exponent may vary between 0.45 and 0.8. If add stabilizing agents to the mixture, VMA should meet the

table IV.

p.95

où P = le pourcentage de passant de calibre d D = le calibre maximum (mm)d = le calibre (mm) n = un exposant

Si n = 0,45, la granularité conduit à un pourcentage de vides entre les granulatsrelativement faible ce qui n’est pas toujours favorable pour la durabilité qui exige unecertaine quantité de bitume sans que celle-ci ne disloque le squelette minéral.L’exposant peut varier entre 0,45 et 0,80. S’il n’est pas prévu d’ajouter des adjuvantsde stabilisation, les vides dans les granulats doivent répondre aux données dutableau IV.

p.94

where: P = percentaged = particle size

If n = 0.45, the gradindurability, which requiremineral skeleton. In vthere is no intention todesign values given in

aded mixes

ded mixes almost completely lacks 0.5 - 8 mm particle sizes. coarse end of the scale is very high and the space left betweened with bitumen, fine aggregate and a mastic composed of thefractions smaller than 0.5 mm. The copious amount of fine view to improving the workability of the coarse mix. Designatios of gap-graded bituminous mixes are presented in table V.

ne mastic-type of grading curve (SMA)

from asphaltic concrete in that the particle size distribution ofrm of a “stony skeleton curve” with a view to distributing theticles in the mix. The possibility of lateral shear (failure) isne and intermediate fractions, together with a stabilized binder.

from five fractions (0-2, 2-5, 5-8, 8-12, and 12-16 mm) and auld be well sieved. They are mixed together in 1:1:1:1:3:4ood deformation performance, or 1:1:1:1:2:4 proportions to to wear. The VMA of the mix should be 17-19%. If it is

Type de mélange / Type of mixVolumetric valueBA Dis 16 BA Dis 20

GAC 16 GAC 20

80 - 90 80 - 90 Voids filled with binder (%)

15 - 17 14 - 16 Voids in mineralaggregate (%)

1 - 3 1 -3 Voids content (%)

TABLE V de projet pour les rapports volumétriquesanges bitumineux à granularité discontinue

the volumetric ratios of gap-graded bituminous mixes

• Dosage des mélanges à granularité discontinue

Les mélanges à granularité discontinue sont presque complètement dépourvus descalibres 0,5 - 8 mm. La teneur en gros granulats est très élevée et l’espace laisséentre ces gros grains est rempli de bitume, de petits granulats et d’un mastic composéd’un mélange de fractions intermédiaires inférieures à 0,5 mm. La quantité importantede petits granulats sert à améliorer la maniabilité du mélange grossier. Les valeurs deprojet pour les rapports volumétriques des mélanges bitumineux à granularitédiscontinue sont présentées au tableau V.

• Dosage relatif à la courbe granulométrique de type Stone Mastic Asphalt “SMA”

Le mélange du type SMA diffère du béton asphaltique par le fait que la distributiongranulométrique du SMA suit la forme d’une “courbe de squelette pierreux” dans le butde répartir les charges sur les gros grains. Le risque de cisaillement latéral estminimisé au moyen de fines et de fractions intermédiaires, ainsi que de liant stabilisé.

La granularité du SMA repose sur 5 fractions (0-2, 2-5, 5-8, 8-12 et 12-16 mm) et des finesd'apport. Les fractions doivent être très bien tamisées. Les fractions mentionnées ci-dessus sont mélangées dans les proportions 1:1:1:3:4, lorsque l’objectif est d’atteindre debonnes performances en matière de résistance à la déformation et dans les proportions

Type de mélange / Type of mixValeur volumétrique Volumetric valueBA 8 - 12 BA 16 - 20 BA 25

AC 8 - 12 AC 16 - 20 AC 25

Vides remplis de liant (%) 80 - 90 80 - 90 80 - 90 Voids filled with binder (%)

Vides dans les granulats 15 - 17 14 - 16 13 - 15 Voids in mineralminéraux (%) aggregate (%)

Teneur en vides (%) 1 - 3 1 -3 1 - 3 Voids content (%)

TABLEAU IV TABLE IVValeurs de projet pour les rapports volumétriques du béton asphaltique

Design values for the volumetric ratios of asphalt concrete mixes

• Proportioning gap-gr

The aggregate of gap-graThe content of sizes at thethese large particles is fillmixture of intermediate aggregate is used with avalues for the volumetric r

• Proportioning the sto

An SMA-type mix differsSMA is graded in the foloads to the coarse parminimized by means of fi

SMA aggregate is gradedfiller. The fractions shoproportions to achieve gachieve good resistance

Valeur volumétrique

Vides remplis de liant (%)

Vides dans les granulats minéraux (%)

Teneur en vides (%)

TABLEAU V Valeurs

des mél

Design values for

1:1:1:1:2:4, lorsque l’objectif est d’atteindre une bonne résistance à l’usure. Le pourcentagede vides dans les granulats minéraux du mélange doit se situer entre 17 et 19 %. S’il estsupérieur, on ajoute une fraction intermédiaire. En revanche, si la teneur en vides est tropfaible, le dosage des granulats fins et de la fraction intermédiaire sera réduit.

• Teneur en liant

higher, an intermediate fraction is added. If, on the other hand, voids content is toolow, the proportion of fine aggregate and intermediate fraction is reduced.

• Binder content

ssed by volume. This can be converted into a percentageBC) using the formula:

= 100 .Vb x ρb

Mk + Vb x ρb

der content by volume,bitumen, Mk = mass of the aggregate ( = ρ k x (100 - Vb)).

p.97

La teneur en liant est exprimée en volume. Le résultat est exprimé comme unpourcentage en volume. Cette valeur peut être convertie en pourcentage de liant enmasse (BC) à l’aide de la formule suivante :

BC = 100 .Vb x ρb

Mk + Vb x ρb

où : Vb = la teneur en liant (%) en volumeρ

b = la masse volumique du bitume Mk = la masse des granulats ( = ρ k x (100 - Vb))

p.96

Binder content is exprebinder content by mass (

BC

where: Vb = percentage binρ

b = density of the

A is over 17%, fibres are often used to stabilize the binder ineding. Where a whole group of fibres is available with differentcts, the correct fibre content should be determined in advance.hould be such that the amount of bitumen not bound by fibres mass of the aggregate.

ater sensitivity properties

been properly selected and the binder content carefullyt mix should be close to the target quality. If an improvement isve to resort to additives at this stage. To assure quality and changes in proportioning, additional tests must be performed. are given below.

e to wear

xes is measured by the Pavement Wear Test.

e to deformation

rties of asphalt mixes are measured by:

in the case of asphaltic concrete mixes,

eep test in the case of SMA mixes,

irmation is desirable, by the wheel tracking test.

ed by the indirect tensile test.

rties

Dans les types de mélanges où les vides dans les granulats minéraux excèdent 17 %,des fibres sont souvent utilisées pour stabiliser le liant afin de prévenir le ressuage.Lorsqu’il existe tout un groupe de fibres présentant différents types d’effets destabilisation, il y a lieu de déterminer à l’avance la teneur correcte en fibres. Laquantité de fibres doit être telle que le bitume non lié par les fibres reste en dessousde 0,1 % de la masse des granulats.

• Essais d’orniérage et de susceptibilité à l’eau

Si les matériaux ont été sélectionnés correctement et si la teneur en liant a étédéterminée soigneusement, le mélange asphaltique devrait être proche de la qualitévisée. Si une amélioration est souhaitée à ce stade, il faudra avoir recours auxadjuvants. En vue d’assurer la qualité et de déterminer les besoins de modifier ledosage, il est nécessaire de réaliser des essais supplémentaires, dont certains sontdonnés ci-dessous à titre d’exemple :

• Mesure de la résistance à l’usure

L’usure des mélanges asphaltiques est mesurée à l’aide de l’essai Pavement WearTest (Essai d’usure des revêtements).

• Mesure de la résistance aux déformations

Les caractéristiques des mélanges asphaltiques en matière de résistance à ladéformation sont mesurées par :

- l’essai de fluage statique dans le cas des mélanges de béton asphaltique,

- l’essai de fluage sous chargement répété dans le cas des SMA

et, lorsqu’une confirmation spéciale est souhaitable, par l’essai d’orniérage.

• Susceptibilité à l’eau

La susceptibilité à l’eau est éprouvée par l’essai de compression diamétrale.

• Autres propriétés mesurées

In mix types where VMorder to prevent its blekinds of stabilizing effeThe amount of fibres sremains below 0.1% by

• Testing rutting and w

If the materials havedetermined, the asphaldesired, one would hadetermine the need forExamples of such tests

• Measuring resistanc

The wear of asphalt mi

• Measuring resistanc

The deformation prope

- the static creep test

- the repeated load cr

and, when special conf

• Water sensitivity

Water sensitivity is test

• Testing other prope

Les propriétés suivantes sont souvent mesurées à des fins de vérification ou autres :

- résistance aux faibles températures par l’essai de compression diamétrale

- rigidité (module d’élasticité) par l’essai NAT (Nottingham Asphalt Tester)

- fatigue par l’essai de fatigue.

VI.3.2.5 La méthode de formulation américaine SUPERPAVE [54 à 56]

The following properties are often measured for verification or other purposes:

- low-temperature resistance by the indirect tensile test,

- stiffness (resilient modulus) by the NAT (Nottingham Asphalt Tester) test,

- fatigue by the Asphalt Fatigue Test

VI.3.2.5 The American method: SUPERPAVE [54 to 56]

perior-Performing Asphalt Pavements) mix design method wasHRP (Strategic Highway Research Program) for bitumens and

three levels matched to the importance of the road.

me roads; mixes are designed by an empirical approach. Theus mix constituents are required to meet well-defined quality

p.99

La méthode de formulation SUPERPAVE (Superior Performing Asphalt Pavements) aété développée dans le cadre du programme SHRP (Strategic Highway ResearchProgram) sur les bitumes et les enrobés bitumineux.

La méthode comprend trois niveaux qui sont fonction de l’importance de la chaussée.

Le niveau 1 concerne les chaussées à faible trafic et la méthode de formulationcorrespond à une approche empirique. Le bitume et les différents constituants du

p.98

The SUPERPAVE (Sudeveloped within the Sbituminous mixes.

The method comprises

Level I is for low-volubitumen and the vario

ted to pavement performance as regards resistance to rutting,w-temperature cracking, while taking account of environmental loads).

mens relate to their rheological properties. Bitumen grades - in total - are defined by the highest and lowest pavemente. They make it possible to opt for widely different temperature

egates bear on grading, angularity and shape, as well as on the fractions (clay content).

etric composition of the mix is determined from compaction testsompactor. The parameters considered are air voids in the mix,gate, and voids filled with bitumen. The degree of compactionieved after a number of “design” gyrations ranging between 70increasing with traffic volume), and bitumen content is selected air voids content of the mix at this number of gyrations is 4%.

r density after ten gyrations and after a high number of gyrationsum theoretical density, respectively).

ost frequently used, since it is intended for cumulative trafficand 107 equivalent axles. In addition to the data of level I, it

s of the amounts of rutting and fatigue cracking, usings. Two “effective” pavement temperatures are determined from

mix design method does not consist of determining mechanical

mélange doivent répondre à des critères de qualité bien déterminés l iésempiriquement aux performances des chaussées pour ce qui concerne la résistance àl’orniérage, la résistance à la fissuration par fatigue et la résistance à la fissuration auxbasses températures et ce, compte tenu des conditions d’environnement (conditionsclimatiques et conditions de chargement).

Les spécifications sur les bitumes sont liées à leurs propriétés rhéologiques. Lesgrades de bitume, au nombre de 21, sont définis par la température maximum et latempérature minimum de la chaussée en service. Ils permettent le choix desusceptibilités thermiques très différentes.

Les spécifications relatives aux granulats portent sur la granularité, l’angularité et laforme ainsi que sur la propreté des fractions (teneur en fines).

A ce niveau, on procède à la détermination de la composition volumétrique dumélange à partir d’essais de compactage effectués à l’aide d’une presse à cisaillementgiratoire. Les paramètres considérés sont le pourcentage de vides du mélange, lepourcentage de vides entre les granulats et le pourcentage de vides rempli par lebitume. L’état de compacité considéré est celui qui est obtenu après un nombre degirations compris entre 70 et 110 (ce nombre est d’autant plus élevé que le volume detrafic est important) et la teneur en bitume est choisie telle qu’à ce nombre de girationsle pourcentage de vides du mélange est de 4 %. De plus il faut que la compacitéaprès dix girations et après un nombre élevé de girations soit limitée supérieurement(respectivement 89 % et 98 % de la compacité maximum théorique).

Le niveau 2 sera le niveau le plus fréquemment utilisé,puisqu’il est prévu pour lestrafics cumulés entre 106 et 107 essieux équivalents. Il comporte, en plus des donnéesdu niveau 1, la prévision de l’importance du phénomène d’orniérage et du phénomènede fissuration par fatigue et ce sur la base de méthodes approchées. Deuxtempératures effectives sont déterminées à partir de la température de l’air.

La méthode de formulation SUPERPAVE ne consiste donc pas à déterminer des

criteria empirically relafatigue cracking and loconditions (climate and

Specifications for bituthere are twenty-onetemperatures in servicsusceptibilities.

Specifications for aggrcleanliness of the size

At this level the volumwith a gyratory shear cvoids in mineral aggreconsidered is that achand 110 (this number in such a way that theUpper limits are set fo(89 and 98% of maxim

Level II will be the mvolumes between 106

includes predictionapproximation methodair temperature.

Thus the SUPERPAVE

propriétés mécaniques des enrobés et à les comparer à des valeurs à obtenir, mais àprévoir le comportement de la structure de chaussée : ainsi peut on tenir compte del’interaction qui existe entre propriétés souhaitables des enrobés et structure dechaussée.

Pour la résistance à l’orniérage, la méthode comporte deux étapes :

properties of bituminous materials and checking their compliance with values to beobtained, but rather of predicting structural pavement performance. This makes itpossible to allow for the interaction which exists between desirable material propertiesand pavement structure.

The procedure to determine resistance to rutting comprises two stages:

ixes are detected by carrying out a repeated shear creep testn of an equally repeated vertical stress constantly proportionals - method M-0032). This test is performed at a very high exceeds the “effective” temperature for rutting by a number ofds on cumulated traffic (up to 20 for traffic volumes over tenaxles). The range of stresses in this test is a function ofnd substrate bearing capacity. The logarithm of permanented against the logarithm of the number of loading cycles (up toe of the resulting curve rises sharply at the higher numbers ofonsidered as unstable and should be discarded. This should

p.101

• On commence par détecter les mélanges instables en effectuant un essai de fluage encisaillement répété (avec application d’une contrainte verticale également répétée,restant constamment proportionnelle à la contrainte de cisaillement (méthode M-0032).Cet essai est effectué à une température très élevée, égale à la température effectived’orniérage, augmentée d’un nombre de degrés qui dépend du trafic cumulé (et qui peutatteindre 20 pour plus de dix millions d’essieux équivalents). L’amplitude des contraintesdans cet essai est fonction de la teneur en bitume, et la portance du support. On trace lacourbe du logarithme de la déformation permanente en fonction du logarithme dunombre de chargements, jusqu’à 20 000 cycles. Si la pente de cette courbe augmentefortement pour les grands nombres de cycles, le mélange est réputé instable et doit être

p.100

• first the unstable m(with the applicatioto the shear strestemperature, whichdegrees that depenmillion equivalent bitumen content adeformation is plott20,000). If the slopcycles, the mix is c

the level I compaction tests with a gyratory shear compactord the mixes with too low a voids content (in which “tertiary

he actual prediction of rut depth, for which two tests must behe “effective” temperature for rutting:

st on a constant height specimen, with a loading and anrom which the nonlinear elastic and the plastic parameters can

shear loading is that rutting originates in high shear stressese edges of tyres. The height of the specimen is kept constantt stresses normal to the plane of shear - due to dilatancy - can

contributing to the resistance to deformation in such a way that mineral skeleton to resistance to permanent deformation can be for;

lus test also conducted in shear and on a constant height

ed using a simplified model in which a linear relationship is logarithm of plastic deformation and the logarithm of the number With the reversible deformation properties derived from theit is possible to calculate the stresses in the bituminous material,tric two-dimensional model with nonlinear finite elements.

es it possible to calculate permanent deformation under thehe slope of the curve representing the relationship between theformation and that of the number of loads is derived from theeep curve. The model yields the development in time of rutd for compliance with specified maximum values.

ed shear test on a constant height specimen - a simulation test

écarté. Ce cas ne devrait se produire que rarement car l’étude de compactibilité à lapresse à cisaillement giratoire du niveau 1 aura permis d’éliminer les mélanges à tropfaible teneur en vides, pour lesquels ce phénomène de “fluage tertiaire” peut apparaître.

• On procède ensuite à la prédiction de la profondeur d’ornière proprement dite, quinécessite l’exécution de deux essais, tous deux effectués à la température effectivepour l’orniérage.

- Un essai de fluage en cisaillement, avec hauteur de l’éprouvette maintenueconstante en cours d’essai, avec phase de chargement et phase de déchargementqui permet de déterminer des paramètres élastiques non linéaires, et plastiques.

La raison des choix d’une sollicitation en cisaillement est que les fortes contraintes decisaillement qui apparaissent sous les bords des pneus sont à l’origine de l’orniérage.L’éprouvette est maintenue à hauteur constante pendant le cisaillement pour que lescontraintes normales au plan de cisaillement, dues au phénomène de dilatance, puissentêtre mobilisées, et ainsi contribuer à la résistance aux déformations ; de cette façon lacontribution du squelette de granulats à la résistance aux déformations permanentes peutêtre prise en compte de façon réaliste.

- Un essai de module complexe, réalisé également en cisaillement avec éprouvettemaintenue à hauteur constante pendant l’essai.

La profondeur d’ornière est calculée par un modèle simplifié qui suppose une relationlinéaire entre les logarithmes de la déformation plastique et du nombre de répétitionsde charges. Les propriétés en déformation réversible déduites de l’essai de modulecomplexe permettent de calculer les contraintes dans l’enrobé, en utilisant un modèleaux éléments finis non linéaire à deux dimensions, axisymétrique.

Un modèle plastique permet de calculer la déformation permanente sous uneapplication de charge ; la pente de la relation entre les logarithmes de la déformationplastique et du nombre de charges est déduite de la pente de la courbe de fluage encisaillement. Le modèle donne l’évolution avec le temps de la profondeur d’ornière quiest comparée à des valeurs maximales spécifiées.

L’essai de cisaillement simple répété, avec éprouvette maintenue à hauteur constante

rarely occur, since will have eliminatecreep” may occur);

• this is followed by tperformed - both at t

- a shear creep teunloading phase fbe determined.

The reason to opt forwhich occur under thduring shearing so thabe brought into play, the contribution of therealistically accounted

- a complex moduspecimen.

Rut depth is calculatassumed between theof load applications. complex modulus test by using an axisymme

A plastic model makapplication of a load; tlogarithm of plastic deslope of the shear crdepth, which is checke

The repeated unconfin

pendant l’essai, essai de simulation utilisé dans une méthode semi-théorique, semi-empirique de prévision de l’orniérage mise au point dans le cadre de la rechercheSHRP [55], n’a pas été retenu dans la méthode SUPERPAVE.

Le niveau 3 comporte la réalisation d’essais plus complets que ceux du niveau 2. Unegamme plus étendue de températures est considérée ici et les essais effectuésconduisent à une prédiction de la proportion de surface fissurée, de la profondeur

used in the semitheoretical and semiempirical rut depth prediction method developedwithin SHRP [55] - has not been accepted in the SUPERPAVE method.

Level III involves more complete tests than level II. A wider range of temperatures isconsidered here and the tests carried out lead to predictions of percent area cracking,flow rut depth in bituminous materials, and low-temperature crack spacing. The model

depth requires a knowledge of the nonlinear elastoplastic mixe nonlinear elastic part of the performance law is establishedompressive creep test with confining pressure to keep lateralng testing, a creep test in isotropic compression, and a simplecimen shear test. The tests of level II are also performed.n is calculated per season.

p.103

d’onière par fluage des enrobés et de l’espacement des fissures de retrait thermique.Le modèle utilisé pour le calcul de la profondeur d’ornière nécessite la connaissancede la loi élastoplastique non linéaire du comportement de l’enrobé. La partie élastiquenon linéaire de la loi de comportement est établie à partir de trois essais : un essai defluage en compression avec étreinte latérale permettant de maintenir nulle ladéformation latérale pendant l’essai, un essai de fluage en compression isotrope, unessai de cisaillement simple avec maintien de l’éprouvette à hauteur constantependant l’essai. Les essais du niveau 2 sont également effectués. Le calcul dedéformation permanente est fait saison par saison.

p.102

used to calculate rut performance law. Thfrom three tests: a cpressure to zero duriconstant height spePermanent deformatio

thod it should be noted that the mechanical mix propertiesetermined after the specimens have been environmentallye the effects of short-term ageing in mixing and, for low-

long-term ageing in service.

assisted by computer software, whichever level is selectedbeing validated. The equipment required for the shear tests is

S

have seen how much the complexity of problems has increasedelopments in traffic loading conditions, and that all the constituentsto be increasingly acted upon to meet the new requirements.

s considered as “traditional” used to give satisfaction in thehe subject of some sort of standardization with the spreadingod. It must be realized, however, that these methods are no requirements, as they do not make it possible to consider all actually relevant to the mechanical performance of modern

en such that mix design must evolve towards completer clearly shown by the results of field observations and researchf which makes it possible to trace out the courses of action toder to make sure that roads are durable, safe and comfortable.s inevitably involve several types of mechanical test.

to meet certain conditions.

e in a realistic and well-balanced way to the effects of allers which have an influence on resistance to permanent following beneficial factors:cy of the binder (or the mastic of fines and bitumen) at the

Dans la méthode Superpave il faut noter que pour les enrobés les propriétésmécaniques dont question ci-dessus sont déterminées après un conditionnement deséprouvettes visant à reproduire l’effet du vieillissement à l’enrobage et, pour lafissuration à basse température, l’effet du vieillissement à long terme.

L’étude de formulation, quel que soit le niveau choisi, est facilitée par l’emploi d’unlogiciel informatique [56]. La méthode est encore en cours de validation. Le matérielnécessaire pour la réalisation des essais de cisaillement est d’un coût élevé.

VI.4 CONCLUSIONS

En matière de formulation des mélanges bitumineux on a vu combien la complexité desproblèmes avait augmenté suite à l’évolution importante des conditions de sollicitationengendrées par le trafic nécessitant la mobilisation accrue du rôle de tous les constituants.

Alors que dans le passé les méthodes qualifiées de traditionnelles donnaient satisfactionet que l’on a même pu assister à une sorte de normalisation qui s’est concrétisée parl’utilisation de plus en plus répandue de la méthode Marshall, il faut se rendre compteque ces méthodes ne répondent plus aux objectifs à atteindre aujourd’hui car elles nepermettent pas de tenir compte de tous les paramètres conditionnant effectivement lecomportement mécanique des mélanges bitumineux modernes.

Les choses sont devenues telles que l’on doit nécessairement évoluer vers des méthodesplus complètes comme l’indiquent clairement les résultats des observations in situ et lesrésultats des recherches dont la synthèse permet de définir les voies à suivre par la pratiqueafin de garantir des routes qui soient à la fois durables, sûres et confortables. Ces méthodesplus complètes font nécessairement appel à un ou plusieurs types d’essais mécaniques.

Ces essais doivent satisfaire à certaines conditions.

Ils doivent être sensibles, de façon réaliste et équilibrée, à l’effet de tous lesparamètres de composition qui ont une influence sur la résistance aux déformationspermanentes, tels que, pour les facteurs favorables :• augmentation de la consistance du liant (ou du mastic fines-bitume) aux

In the SUPERPAVE mereferred to above are dconditioned to reproductemperature cracking, of

The mix design study is[56]. The method is still expensive.

VI.4 CONCLUSION

Concerning mix design weas a result of dramatic devof bituminous mixes have

The mix design methodpast and even became tuse of the Marshall methlonger up to present-daythe parameters that arebituminous mixes.

Developments have bemethods. This has beenactivities, the synthesis obe taken in practice in orThese completer method

These tests are required

They should be sensitivcompositional parametdeformation, such as the• increase in consisten

températures les plus élevées rencontrées dans l’enrobés ;• emploi d’un liant ayant des propriétés élastiques ;• utilisation d’un squelette de granulats frottant s’opposant aux déformations

permanentes de cisaillement, par le nombre de contacts entre granulats et laqualité des contacts (angularité et rugosité des faces).

highest temperatures found in bituminous materials;• the use of a binder with elastic properties;• the use of a mineral skeleton which resists permanent deformation by interparticle

friction as characterized by the number of contacts between aggregates and thequality of these contacts (angularity and roughness of faces).

t realistic temperatures and with realistic loading times.

ted loading tests (in order to be sensitive to the effect of ander).

ld comprise stresses normal to the planes of shear (in order torticle friction in the mineral skeleton), i.e. it should comprisessive tests or be applied to constant height specimens in shear

p.105

Ils doivent être faits à des températures et temps de charges réalistes.

Ils doivent être des essais à chargement répété (pour être sensibles à l’effet d’uncaractère élastique du liant).

Le mode de sollicitation doit comporter des contraintes normales aux plans decisaillement (pour qu’ils soient sensibles au caractère frottant du squelette degranulats), c’est-à-dire comporter une étreinte latérale s’il s’agit d’essais encompression, ou être effectués à hauteur constante s’il s’agit d’essais en cisaillement.

p.104

They should be made a

They should be repeaelastic nature of the bin

The loading mode shoube sensitive to interpaconfinement in compretests.

DELS TO PREDICT RUTTING TUMINOUS PAVEMENTS

road materials and the impossibility to accurately predict therameters determining their performance (particularly traffic

Table VI) over a long period (pavement service life), modelss of distress are bound to be statistical.

TABLE VI

ternal factors determining the resistanceous pavements to permanent deformation

- Frequency of occurrence of loads- Number of repetitions- Distribution across the carriageway

- Vertical action (weight, contact pressure,radius of tyre-road contact area)

- Tangential action- Time of application (depends on speed)

- Temperature pattern- Moisture content regime

VII . MODÈLES DE PRÉDICTIONDE L’ORNIÉRAGE DES CHAUSSÉES

À REVÊTEMENT BITUMINEUX

VII.1 INTRODUCTION

De par la nature des matériaux routiers et l’impossibilité qu’il y a de prévoir avecprécision sur une longue période (durée de service de la chaussée) les valeurs desparamètres extérieurs qui conditionnent leur comportement (tout particulièrement letrafic et le régime climatique - Tableau VI) les modèles prévisionnels pour les différentstypes de dégradations doivent avoir nécessairement un caractère statistique.

TABLEAU VI

Principaux facteurs extérieurs liés à la résistance à la déformation permanentedes chaussées à revêtement bitumineux

- Fréquence d’apparition des charges,- Nombre de répétitions,- Distribution transversale sur la chaussée.

- Action verticale (poids, pression de contact,rayon de l’empreinte pneu-revêtement)

- Action tangentielle,- Temps d’application (lié à la vitesse).

- Régime des températures,- Régime des teneurs en eau.

TRAFIC

CHARGES

CLIMAT

VII . MOIN BI

VII.1 INTRODUCTION

Because of the nature of values of the external paand climatic conditions - to predict the various type

Main exof bitumin

TRAFFIC

LOADS

CLIMATE

D’un point de vue pratique, il en résulte qu’aux solutions auxquelles ces modèlespeuvent conduire il faut ajouter la notion de risque.

Cette situation n’est pas sans conséquences sur le plan économique : elles peuventêtre limitées si la solution recherchée est peu sensible aux paramètres extérieurs qui

From a practical point of view, this means that the solutions to which these modelsmay lead involve a certain risk factor.

The economic consequences are in keeping with this: they may be limited if thesolution is little sensitive to the external parameters - which are difficult to predict -,

serious in the opposite case. This is probably where modelsng and models to predict rutting are most different.

l design methods used in practice, which are based mainly onm (after making sure that stresses at the subgrade level aree permanent deformation in that subgrade), it has indeed been

p.107

sont difficilement prévisibles, mais elles peuvent être beaucoup plus importantes dansle cas inverse. C’est sans doute en cela que réside la plus grande différence entre lesmodèles de prédiction de la fissuration par fatigue et les modèles de prédiction del’orniérage.

En effet, avec les méthodes semi-théoriques de dimensionnement utilisées enpratique et basées principalement sur le mécanisme de fissuration (après s’êtreassuré de la limitation des efforts au niveau du sol en vue d’en limiter la déformationpermanente), on constate [57] que :

p.106

and may be much moreto predict fatigue cracki

With the semitheoreticathe cracking mechanislimited in order to reducfound [57] that:

from an overestimation of traffic and, hence, of its aggressivitycant extension of a pavement’s life, but does not necessarily outlay compared with that required for the “ideal” (i.e. correctly

g from an underestimation of traffic and its aggressivity mayreduction in pavement life without being a markedly cheaperal” structure;

d of a particular course should correspond to the minimumid and not to an average thickness. Otherwise the structureerdesigned with all the risks this entails.

ese findings can be expressed by the following equation fords:

(cm) = 8 . logX1

X2

thickness of the bituminous layer corresponding, for a given service life, tot traffic volumes X1 and X2 or, for a given traffic, to two different service X2.

e sensitivity of rut depth to the relevant external parameters is Huschek [58] has shown that in the summer of 1976 the in Switzerland was for sixteen consecutive days 6°C above

(1901 to 1960), and that this difference affected rut depthich could range from 2.3 to 3. This tallies completely with the

ures 9, 10 and 11 (Chapter III) showing the sensitivity of rutf a bituminous mix, which is very susceptible to temperaturetemperature range. This has led S. Huschek to draw the the light of these difficulties, the accuracy of prediction of the

- le surdimensionnement résultant d’une surestimation du trafic et donc de sonagressivité, bien que pouvant conduire à une augmentation non négligeable de ladurée de vie, peut ne pas entraîner une dépense exagérée par rapport à celle quiest nécessaire pour la réalisation de la structure idéale, c’est-à-dire la structure quiserait correctement dimensionnée,

- le sous-dimensionnement résultant d’une sous-estimation du trafic et donc de sonagressivité, bien que pouvant conduire à une diminution appréciable de la durée devie, peut ne pas entraîner une grande réduction de dépense par rapport à celle quiest nécessaire pour la réalisation de la structure idéale,

- l’épaisseur exigée pour une couche doit correspondre à l’épaisseur minimum de lacouche qui sera effectivement réalisée et non pas à son épaisseur moyenne ; fautede suivre cette règle, la structure sera, en certains endroits, sous-dimensionnéeavec tous les risques que cela comporte,

D’un point de vue quantitatif et pour les routes souples à trafic important ces résultatsse traduisent par la relation :

∆e (cm) = 8 . logX1

X2

où : ∆e = différence d’épaisseur de la couche bitumineuse correspondant, pour une durée de servicedonnée, à deux trafics différents X1 et X2 ou, pour un trafic donné, à deux durées deservice différentes X1 et X2.

En matière de prévision de l’orniérage, la profondeur d’ornière est assez sensible auxparamètres extérieurs. C’est ainsi que S. Huschek [58] a montré que pour l’été 1976,la température moyenne de l’air en Suisse a été, pendant 16 jours consécutifs,supérieure de 6 °C à la température moyenne déterminée sur la période 1901 - 1960et que cet écart affectait la prévision de la profondeur d’ornière d’un facteur pouvantaller de 2,3 à 3. Ce résultat est tout à fait en concordance avec les résultats présentéssur les figures 9, 10 et 11 du chapitre III et qui montrent la sensibilité de la profondeurd’ornière à la rigidité d’un mélange bitumineux, rigidité très sensible à la températuresurtout dans la zone des températures élevées. S. Huschek est alors conduit à la

- overdesign resulting may lead to a signifiinvolve an excessivedesigned) structure;

- underdesign resultinlead to a significant solution than the “ide

- the thickness requirethickness actually lawill, in places, be und

In quantitative terms thhigh-volume flexible roa

∆e

where: ∆e = difference intwo differenlives X1 and

Now for rut prediction, thmuch higher. Thus S.average air temperaturethe long-term averageprediction by a factor whresults presented in figdepth to the stiffness oespecially in the high following conclusion: “In

conclusion suivante : “A la lumière de ces difficultés, la précision de la prédiction de lavaleur absolue de la profondeur d’ornière est plutôt limitée. Cependant en pratique,une connaissance relative est de première importance. Avec une connaissancerelative, on peut choisir la meilleure des possibilités disponibles, indépendamment desgrandes inconnues sur les paramètres “futurs” tels que trafic, conditions dechargement et conditions de température. Je pense que nous ne devrions pastoujours parler d’une corrélation satisfaisante ou bonne entre les valeurs mesurées etles valeurs calculées. Nous devrions plus souvent parler du risque de prévision et

absolute value of rut depth is rather limited. However, in the practical situation arelative viewpoint is of primary importance. With a relative viewpoint one can choosethe best of the available possibilities, independently of the largely unknown “future”parameters such as traffic loading and temperature conditions. I think we should notalways speak about satisfying or even good correlation between predicted andmeasured values. We should speak more often about the risk of every real predictionand express the accuracy or, better, the lack of accuracy, in statistical values ”.

dels to predict the absolute value of rut depth is, consequently,t way to mitigate flow rutting in bituminous mixes is to minimizeinous mixes that are little sensitive to permanent deformation.by an appropriate choice of compositions based on laboratorydesign of the underlying courses.

p.109

exprimer la précision, ou mieux le manque de prévision, par des valeurs statistiques ”.

L’utilité pratique des modèles de prédiction de la valeur absolue de la profondeurd’ornière est donc assez limitée. Le meilleur moyen de lutter contre l’orniérage parfluage des mélanges bitumineux est d’en réduire le risque au maximum en recourant àdes mélanges bitumineux qui soient peu susceptibles à la déformation permanente etce, par un choix judicieux de compositions déterminées à partir d’essais de laboratoireet par un dimensionnement correct des couches qui le supportent.

p.108

The practical use of morather limited. The besthe risk by using bitumThis can be achieved tests, and by a correct

hapter will be devoted to a brief general presentation of the to a more detailed description of four models, some of whichrified by experiments.

ENTATIONUT PREDICTION MODELS

nderlying the models used by various authors to predict rutements are briefly presented below, with the mechanicalheir application.

e between two groups of theoretical models to calculate rut

oelastic or elastoviscoplastic mix performance law. Using aodel capable of implementing such a law, the deformatione application of a loading cycle is calculated, and hence then resulting from a loading cycle. The calculation is madecycle. The effect of load repetition is thus determined by a a much simplified variant of this method, rutting caused byn of rolling loads is equated with a settlement under a static

rely experimental determination of the effect of load repetition.deformation versus number of loads is established by way of

s stress conditions and these laws are assigned to variouse of the pavement, where the stress condition has beenavement model. One thus passes on directly from theses in the structure to permanent deformation.

. Haas [59] have proposed a model based on linear finite

La deuxième partie de ce chapitre sera consacrée à une présentation générale etrésumée des principaux modèles existants et à une description un peu plus détailléede quatre modèles dont certains ont statistiquement fait l’objet d’une vérificationexpérimentale.

VII.2 PRÉSENTATION GÉNÉRALEDES PRINCIPAUX MODÈLES DE PRÉDICTION DE L’ORNIÉRAGE

Nous présentons ci-dessous une vue générale et résumée des principes sur lesquelsreposent les modèles utilisés par différents auteurs pour la prévision de la profondeurd’ornière dans les chaussées à revêtement bitumineux ainsi que les essaismécaniques de laboratoire qui sont utilisés pour leurs applications.

On peut distinguer deux familles de modèles théoriques de calcul de profondeurd’ornière :

- des modèles utilisant une loi de comportement de l’enrobé, viscoélastique, ouélastoviscoplastique. A l’aide d’un modèle de structure de chaussée capabled’utiliser une telle loi de comportement, on calcule le cycle de déformation résultantde l’application d’un cycle de charge, et donc la déformation permanente résultantd’un cycle de charge ; le calcul est fait successivement pour chaque cycle. L’effetde la répétition des charges est donc déterminé par une méthode théorique. Dansune variante très simplifiée de cette méthode, on assimile l’orniérage résultant del’application répétée de charges roulantes à un tassement sous une chargestatique ;

- des modèles fondés sur une détermination seulement expérimentale de l’effet de larépétition des charges. La loi de déformation permanente en fonction du nombre decharges est établie expérimentalement pour divers états de contrainte et ces loissont affectées aux divers points de la structure de chaussée, où l’on a calculé l’étatde contrainte à l’aide d’un modèle de chaussée. On passe ainsi directement duchamp de contrainte calculé dans la structure à la déformation permanente.

F.R.P. Meyer et R.C.G. Haas [59] proposent un modèle fondé sur la théorie linéaire

The second part of this cmain existing models andhave been statistically ve

VII.2 GENERAL PRESOF THE MAIN R

The general principles udepth in bituminous pavlaboratory tests used for t

A distinction can be maddepth:

- models utilizing a viscpavement structure mcycle resulting from thpermanent deformatiosuccessively for each theoretical method. Inthe repeated applicatioload;

- models based on a meThe law of permanent experiment for varioupoints in the structurcalculated using a pcalculated field of stres

F.R.P Meyer and R.C.G

des éléments finis. L’essai mécanique qu’ils considèrent est l’essai triaxial dechargements répétés.

R.W. Kirwan, M.S. Snaith, T.E. Glynn [60] ainsi que S.F. Brown et C.A. Bell [61]utilisent un modèle basé sur la théorie non linéaire des éléments finis. Ils utilisentrespectivement l’essai uniaxial dynamique de fluage en compression et des essaisaxiaux de chargements répétés.

element theory. The mechanical test considered is the triaxial repeated load test.

R.W. Kirwan, M.S. Snaith and T.E. Glynn [60] as well as S.F. Brown and C.A. Bell [61]use a model based on nonlinear finite element theory. Their respective tests are theunconfined dynamic compressive creep test and axial repeated load tests.

bi, C.R. Freeme and D.B. McLean [62], P.J. Van de Loo [63],in and V. Veverka [64], S. Huschek [65], and B. Célard [66] user elastic multilayer theory with the following mechanical testsial repeated compression test, the axial creep test, the triaxialtest, the unconfined creep test and the repeated load creep

reep test.

p.111

C.L. Monismith, K. Inkabi, C.R. Freeme et D.B. Mc Lean [62], P.J. Van de Loo [63], J. Verstraeten, J. Romain, V. Veverka [64], S. Huschek [65] et B. Celard [66] utilisentdes modèles fondés sur la théorie des systèmes multicouches élastiques linéaires etles essais mécaniques utilisés sont respectivement : l’essai triaxial de compressionrépétée, l’essai de fluage axial, l’essai triaxial de compression répétée, l’essai defluage uniaxial et l’essai de fluage sous chargement répété, l’essai de fluagedynamique.

p.110

C.L. Monismith, K. InkaJ. Verstraeten, J. Romamodels based on linea(respectively): the triaxrepeated compression test, and the dynamic c

veloped a model from experimental results obtained with thession test.

veloped a probabilistic model based on linear viscoelasticl test considered in his study is the unconfined repeated load

proposed a theoretical model based on viscoelastic theory.f G. Battiato, F. Ronco and C. Verga [69], who complete theirf the unconfined creep test for practical applications.

. Nahboub and D.N. Little [70], J.S. Lai and D. Anderson [71],an and R.L. Lytton [73], and R.B. Leahy [74] use empiricalned with repeated mechanical load tests.

detailed description of the models referred to above and morec equations may find it useful to consult the “Summary reportion in asphalt concrete” prepared by J.B. Sousa, J. Craus andin the SHRP (Strategic Highway Research Program).

RUT PREDICTION MODELS

ted below can be used to predict how rutting will develop overminous pavement, but are mainly intended to assess whetherement’s design life rutting will not reach a value higher thanafety and comfort.

to use in practice, as far as the materials used comply withWhere special materials are involved, it will be necessary to

L. Francken [23] développe un modèle sur base de résultats expérimentaux obtenus àpartir de l’essai triaxial de compression répétée.

W.J. Kenis [67] développe un modèle probabiliste basé sur la théorie de laviscoélasticité linéaire. L’essai mécanique pris en considération dans l’étude est l’essaiuniaxial de chargement répété.

E.N. Thrower [68] propose un modèle théorique basé sur la théorie de laviscoélasticité. Tel est aussi le cas de G.F. Battiato, F. Ronco et C. Verga [69] qui, pourles applications, complètent leur modèle par les résultats de l’essai de fluage uniaxial.

D’autres auteurs tels que K. Nahboub et D.N. Little [70], J.S. Lai et D. Anderson [71],S.A. Khedr [72], J.Uzan et R.L. Lytton [73], R.B. Leahy [74] utilisent des modèlesempiriques combinés généralement avec des essais mécaniques de chargementsrépétés.

Le lecteur qui serait intéressé par une description détaillée des modèles évoqués ci-dessus et notamment par leurs équations de base pourront se référer utilement aurapport [75] de J.B. Sousa, J.C. Craus et C.L. Monismith intitulé “Summary Report onPermanent Deformation in Asphalt Concrete ” préparé dans le cadre du StrategicHighway Research Program (SHRP).

VII.3 EXEMPLES DE MODÈLES DE PRÉDICTION DE L’ORNIÉRAGE

Les quatre modèles présentés ci-après peuvent être utilisés pour prévoir l’évolution del’orniérage au cours de la durée de service d’une chaussée à revêtement bitumineuxmais ils le sont surtout pour estimer si, à la fin de la durée de service prévue dans leprojet, l’orniérage n’atteint pas une valeur excessive par rapport à celle imposée parles critères de sécurité et de confort.

Leur utilisation pratique est relativement aisée pour autant que les matériaux utiliséssoient conformes à certaines spécifications. Dans les cas où des matériaux spéciaux

L. Francken [23] has detriaxial repeated compre

W.J. Kenis [67] has detheory. The mechanicatest.

E.N. Thrower [68] has Such is also the case omodel with the results o

Other authors such as KS.A. Khedr [72], J. Uzmodels generally combi

Readers interested in a particularly in their basion permanent deformatC.L. Monismith [75] with

VII.3 EXAMPLES OF

The four models presenthe service life of a bituby the end of the pavallowed for reasons of s

They are relatively easycertain specifications.

sont concernés, ils nécessitent la mesure des propriétés mécaniques de cesmatériaux telles que modules, lois de fluage (statique ou dynamique selon les cas).

On pourra se reporter aussi à la description des deux méthodes de calcul deprofondeur d’ornière proposées par le SHRP et décrites section VI.3.2.5. Cesméthodes n’ont pas encore atteint le même degré de validation que les méthodesdécrites ci-après.

measure mechanical properties such as moduli and creep laws (static or dynamic,depending on the case).

Reference can also be made to the description of the two rut depth calculationmethods proposed by SHRP and presented in Section VI.3.2.5. These have not yetreached the same degree of validations as the methods described below.

odel [63,76,77]

the traffic expected over the service life of the pavement islent traffic (in terms of rutting) composed of standard axle loads contact pressure = 0.6 MPa). The equivalence law depends onthe bituminous mix; it is a function of the slope of the curve

onship between the modulus of the mix found in a creep test onodulus of the bitumen on the other.

p.113

VII.3.1 Modèle SHELL [63,76,77]

Dans le modèle SHELL, le trafic prévu pour la durée de service de la chaussée esttransformé en un trafic équivalent (au point de vue orniérage) composé d’essieuxstandard de 80 kN (roue jumelée, pression de contact = 0,6 MPa). La loi d’équivalencedépend des caractéristiques de l’enrobé, elle est fonction de la pente de la relationentre le module de l’enrobé obtenu dans un essai de fluage, et le module du bitume.

p.112

VII.3.1 The SHELL m

In the Shell method converted to an equivaof 80 kN (dual wheels,the characteristics of representing the relatithe one hand and the m

ced by the standard load in the bituminous layer is calculatedeory (BISAR programme), while allowing for the variations in

rom the thickness of the bituminous layer, the average stress,s of the mix. A factor ranging between 1 and 2 (depending ond to correct the result for the dynamic action of loads. The

f the mix used is the value found in a static creep test for aequal to the viscous component of this modulus, Sbvisc - thiscumulative time of load application is longer.

considered acceptable, the procedure is finished. If not, then with a different thickness design or a different type of mix.

us component of the modulus of the bitumen, which dependsation time and on temperature, is as follows:

visc =3 . ηN . t

r of standard wheel passes,

one wheel pass (s),

n viscosity (Pa.s), which depends on temperature.

ss of the bituminous layer under the moving wheel loads isformula:

= C.h.σav

La contrainte moyenne induite par la charge standard dans la couche bitumineuse estcalculée à partir de la théorie des systèmes multicouches élastiques (utilisation duprogramme BISAR) en tenant compte des variations de température.

La profondeur d’ornière est calculée à partir de l’épaisseur de la couche bitumineuse,la contrainte moyenne, le module de rigidité de l’enrobé et un facteur de correctionpour l’action dynamique des charges qui peut varier, selon le type de mélange utilisé,entre 1 et 2. Le module de rigidité de l’enrobé (Sm) utilisé est la valeur obtenue dansun essai de fluage statique pour une valeur de module du bitume égale à lacomposante visqueuse de ce module (Sbvisc) valeur qui est d’autant plus faible que letemps cumulé d’application des charges est plus long.

Si la profondeur d’ornière calculée est jugée acceptable, la procédure de calcul estterminée. Si tel n’est pas le cas la procédure est reprise avec un autre schéma dedimensionnement ou un autre type de mélange.

La formule donnant la composante visqueuse du module du bitume, qui dépend dutemps d’application cumulé des charges et de la température est :

(Sb) visc =3 . ηN . t

où : N = le nombre de passages de la roue standard,

t = le temps de chargement par la roue (s),

η = la viscosité du bitume (Pa.s) qui dépend de la température.

La réduction d’épaisseur de la couche bitumineuse suite aux passages des chargesest alors calculée à partir de la formule :

∆h = C.h.σav

The average stress induusing elastic multilayer thtemperature.

Rut depth is calculated fand the stiffness moduluthe type of mix) is appliestiffness modulus, Sm, obitumen modulus value value being lower as the

If calculated rut depth isprocedure is started agai

The formula for the viscoon cumulative load applic

(Sb)

where: N = numbe

t = time of

η = bitume

The reduction in thicknethen calculated from the

∆h

Sm

où : C = le facteur de correction dynamique,

h = l’épaisseur de la couche bitumineuse,

σav = la contrainte moyenne dans la couche bitumineuse induite par la charge standard comptetenu des variations de température et dont la détermination est facilitée par l’usage de

Sm

where: C = correction factor for dynamic action,

h = thickness of the bituminous layer,

σav = average stress in the bituminous layer under the moving standard load, takingaccount of the variations in temperature (a set of tables is available from which

tress can be easily determined),

ss modulus of the mix (Pa.s) determined as indicated above.

istribution of loads is taken into account, it has been shownpth is approximately equal to the calculated reduction in layer

p.115

tables de valeurs,

Sm = le module de rigidité du mélange (Pa.s) déterminé comme indiqué ci-dessus.

Lorsque la distribution transversale des charges est prise en considération il a étédémontré théoriquement que la profondeur d’ornière est approximativement égale à laréduction d’épaisseur ∆h calculée.

p.114

this s

Sm = stiffne

When the transverse dtheoretically that rut dethickness, ∆h.

58]) based on data from ref. [76] represents the result of aut depths calculated from creep tests and rut depths measureds. For the thirteen cases plotted in this graph the maximumession line is about 60%.

odel [78]

esearch Centre’s model the traffic expected over the design lifeverted to a traffic with an equivalent damaging effect in terms ofheels, radius of tyre-road contact area = 10 cm, contact

seasonal conditions (temperatures), only the hottest period ofconsideration, to make calculations as simple as possible for

ion (∆h) in each pavement layer and the subgrade soil isdard load, using Odemark’s approximation method or elastic programme).

n in (∆d) in each pavement layer and the subgrade soil is thenrmula:

∆d = ∆h . f (N )

ber of equivalent loads having the same damaging effect as actual traffic.

deformation of the entire road structure is calculated from the

La figure 21 extraite de la réf. [58] et établie sur base des données de la réf. [76]donne le résultat de la comparaison entre la profondeur de l’ornière mesurée dans lecas d’essais à l’orniéreur. Pour les 13 cas représentés l’écart maximum à partir de ladroite de régression est de plus ou moins 60 %.

Profondeur d'ornière mesurée, d (mm)Measured rut depth, d (mm)

Pro

fond

eur

d'or

nièr

e ca

lcul

ée, d

* (m

m)

Cal

cula

ted

rut d

epth

, d*

(mm

)

Figure 21 - Comparaison entre les profondeurs d’ornière mesuréeset les profondeurs calculées [58, 76]

Figure 21 - Comparison between calculated and measured rut depths [58, 76]

Figure 21 (from ref. [comparison between rin wheel tracking testdeviation from the regr

VII.3.2 The BRRC m

In the Belgian Road Rof the pavement is conrutting (N standard wpressure = 0.6 MPa).

As for the influence ofthe year is taken into practical applications.

Reversible deformatcalculated for the stanmultilayer theory (MTC

Permanent deformatiocalculated using the fo

where: N = num

Finally, the permanentformula:

VII.3.2 Modèle C.R.R. [78]

Dans le modèle C.R.R. le trafic attendu pendant la durée de service prévue pour lachaussée est transformé en un trafic équivalent au point de vue de son effetdestructeur vis-à-vis de l’orniérage (N roues standard, rayon de l’empreinte pneu-revêtement = 10 cm, pression de contact = 0,6 MPa).

d = Σ ∆hi . fi (N )

The characteristics adopted for materials meeting standard specifications arepresented in table VII. For special materials these characteristics need to be

tally from repeated triaxial loading tests, and conducted with aessure implementing a vertical stress which is a sinusoidal

d to sixteen roads in service, where rut depths were measuredtedge (AASHO model) at four cross sections every 100 m.8], illustrates the correlation between measured and calculated

ation coefficient, r, is 0.64 for 55 couples of values, and the.1 m.

p.117

En ce qui concerne l’influence des états saisonniers (températures), seule la périodela plus chaude de l’année est prise en considération et ce pour simplifier autant quepossible les calculs dans les applications pratiques.

La déformation réversible (∆h) de chaque couche constituante et du sol est calculéepour la charge standard. Le calcul peut se faire à partir de la méthode approximativede Odemark ou de la théorie des systèmes multicouches élastiques (utilisation duprogramme MTC).

p.116

determined experimenconstant confining prfunction of time.

The model was appliewith a 1.2 m straighFigure 22 , from ref. [7rut depths: the correlstandard deviation is 1

TABLE VIIIs mécaniques moyennes des matériauxrage mechanical properties of materials

(Bratislava University model)

orrélation entre les profondeurs d’ornière mesurées (d*)et les profondeurs calculées (d) [78]

tion between measured (d*)and calculated (d) rut depths [78]

Profondeur d'ornière calculée, d (mm)Calculated rut depth, d (mm)

La déformation permanente (∆d) de chaque couche constituante et du sol sont alorscalculées à partir de la formule :

∆d = ∆h . f (N )

où : N = le nombre de charges équivalentes ayant le même effet destructeur que le trafic réel,

La déformation permanente de l’ensemble de la structure routière est ensuite calculéeà partir de la formule :

d = Σ ∆hi . fi (N )

Dans le cas des matériaux répondant aux spécifications des cahiers des charges, lescaractéristiques présentées dans le tableau VII sont retenues. Dans le cas dematériaux spéciaux, ces caractéristiques doivent être déterminées expérimentalementà partir de l’essai triaxial à chargement répété mettant en œuvre une contrainteverticale, fonction sinusoïdale du temps et une contrainte latérale maintenue constante.

Matériaux

Couches bitumineuses

Empierrement

Materials

Bituminous layers

Crushed stonebase

f(N)

4,49 N0,25

2 N0,3 si/if h < 12 cm2 N0,2 si/if h > 12 cm

Modules (MPa)Moduli (MPa)

5000

500

TABLEAU VII TABLE VIIPropriétés mécaniques moyennes des matériaux

Average mechanical properties of materials (BRRC model)

TABLEAU VIIIPropriété

Ave

Figure 22 - C

Figure 22 - Correla

Pro

fond

eur

d'or

nièr

e ob

serv

ée, d

* (m

m)

Mea

sure

d ru

t dep

th, d

* (m

m)

Sous-fondation granulaire

Sol

Granular sub-base

Subgrade soil

2 N0,3

1 + 0,7 log N

200

5, 10 , 20, 40(paramètre)(parameter)

p.119

Matériaux

Enrobé bitumineux

Sable bitume

Materials

Bituminous mix

Bitumen-treated sand

Unbound materials(depending on type)

Subgrade soil

f(N)

4,49 N0,23

4,49 N0,25

2 N0,25

2 N0,30

1,3 + 0,7 logN1,3 + 0,6 logN

(si sols non cohésifs à module ≥ 60 MPa)(for noncohesive soils

with a modulus ≥ 60 MPa)

Le modèle a été appliqué dans le cas de 16 routes en service sur lesquelles lesprofondeurs d’ornière ont été mesurées à l’aide d’une règle de 1,2 m (modèleAASHO) à raison de 4 profils transversaux tous les 100 m. La figure 22 extraite de laréf. [78] illustre la corrélation obtenue entre les profondeurs d’ornière mesurées et lesprofondeurs d’ornière calculées ; elle est caractérisée par une coefficient decorrélation r = 0,64 pour 55 couples de valeurs et un écart type de 1,1 mm.

p.118

Matériaux non liés(selon le type)

Sol

Road sections

Date

Number of standard

Section D - 1 Section D - 61

1.meas./1 mes.06.87

3.meas./3 mes.04.88

7.meas./7 mes.05.89

1.meas./1 mes.07.87

8.meas./8 mes.10.89

254 259 387 867 563 053 321 908

a University model [79,80]

e University of Bratislava to calculate rutting in bituminous elastic multilayer theory and follows the same principles as thed above.

e characteristics of materials, which are presented in table VIIIe data in table VII).

erial being forced away to the edges of the rut, calculated rut by a factor ranging between 1.2 and 1.4.

rried out on road sections at different times and compared with

ted in Table IX [82]. This table, in which the traffic carried isf 10-t standard axles, also contains the results of calculations

TABLE IX

parison between measured and calculated rut depths

VII.3.3 Modèle de l’Université de Bratislava [79,80]

Le modèle de l’Université de Bratislava pour le calcul de l’orniérage des chausséesbitumineuses est fondé sur la théorie des systèmes multicouches élastiques etprocède des mêmes principes que le modèle C.R.R. exposé ci-avant.

Les différences résident dans les caractéristiques des matériaux comme indiqué dansle tableau VIII (à comparer aux données du tableau VII).

Afin de tenir compte du refoulement du matériau vers les bords de l’ornière laprofondeur calculée est à multiplier par un facteur dont la valeur est comprise entre1,2 et 1,4.

Des mesures ont été effectuées sur des sections de routes à différentes périodes etcomparées aux grandeurs calculées.

Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau IX, ci-contre, [82]. Ce tableau oùle trafic supporté est exprimé en nombre d’essieux standard de 10 tonnes mentionneaussi les résultats de calculs obtenus par l’application du modèle SHELL.

TABLEAU IX

Comparaison entre les profondeurs d'ornières mesurées et calculées ➜

Sections de

routes

Date

Nombre

VII.3.3 The Bratislav

The model used by thpavements is based onBRRC method explaine

The differences lie in th(to be compared with th

To take account of matdepth must be multiplied

Measurements were cacalculations.

The results are presenexpressed in numbers owith the SHELL model.

Com

p.121

de chargesstandard

Profondeurd'ornière

mesurée (mm)

axles

Measuredrut

depth (mm)

Calc. depth and % of

meas. value

Depth calc.with the Shell

method and% ofmeas. value

11,95

9,7

81,2

10,9

91,2

12,76

10,7

83,9

12,4

97,2

14,37

11,5

80

12,9

89,8

10,36

11,5

111,0

12,7

122,6

500 395

11,80

12,6

106,8

13,9

117,8

p.120

Prof. calc.et % de

la val. mesurée

Prof. calc. par la méthode Shell

et % de la val.mesurée

el [66, 81]

sed on the calculation of stresses and strains induced in as. Elastic multilayer theory is used for that purpose. Traffic isequivalent traffic composed of standard axles of 10 kN (duale = 700 kPa).

bituminous mixes are measured by a dynamic modulus test. for by considering moduli which vary with temperature.

further characterized by their rutting performance law asmic creep test.

usoidal, controlled axial stress, σv, is applied to the specimen.pressive. No rest periods are allowed. In addition, a static

n be superimposed. The axial permanent deformation of theed and plotted against the number of loading cycles. The rapid increase at the beginning, followed by a steady-stated stage of rapid development represents the failure of the selected as most typical of dynamic creep performance is theof the curve (creep rate, ε ). The associated performance lawelates the creep rate to the temperature and stress parametersw can be used to evaluate the increase in rut depth (steady-er a given period. This calculation is, however, only possible radial tensile stresses, as these cannot be simulated in the

tion of rut depth development only applies to surfacings,us courses on rigid bases (e.g. in cement-bound graded

associée (il s’agit d’une loi de dommage) relie la vitesse de fluage aux paramètrestempérature et contraintes (σ vm et σ H). A partir de cette loi, il est alors envisageabled’évaluer l’accroissement de l’ornière (en régime linéaire) sur une période donnée. Cecalcul n’est cependant possible que pour les couches ne présentant pas decontraintes radiales de traction, ces contraintes ne pouvant pas être simulées dansl’essai de fluage dynamique.

La prédiction de l’évolution de l’ornière ne s’applique donc qu’aux couches de surface,renforcements ou couches d’enrobés posées sur des fondations rigides (par exemple

VII.3.4 Le modèle Esso [66, 81]

Le modèle Esso repose sur le calcul des contraintes et des déformations engendréesdans une chaussée par les charges du trafic. La théorie des systèmes multicouchesélastiques est utilisée à cet effet. Le trafic est pris en considération par le biais d’untrafic équivalent composé d’essieux standard de 10 kN (roues jumelées, pression decontact = 700 kPa).

Les modules de rigidité des enrobés sont mesurés par l’essai de module dynamique.La viscoélasticité est prise en compte en considérant des modules variables avec latempérature.

Les enrobés bitumineux sont de plus caractérisés par leur loi de comportement àl’orniérage déterminée à partir d’un essai de fluage dynamique.

Dans cet essai, une contrainte σ v axiale dynamique contrôlée sinusoïdale estappliquée sur l’éprouvette. La contrainte est purement compressive. Il n’y a pas depériode de repos. En outre, une contrainte σ H statique isotropique peut êtresuperposée. La déformation permanente axiale de l’éprouvette est notée en fonctiondu nombre de cycles de chargement. La courbe correspondante traduit uneaugmentation initiale rapide suivie d’une augmentation linéaire en régime constant.Une troisième phase d’évolution rapide correspond à la rupture de l’éprouvette. Leparamètre retenu comme le plus typique du comportement au fluage dynamique est lapente de la partie linéaire de la courbe (taux de fluageε ). La loi de comportement

VII.3.4 The Esso mod

The Esso model is bapavement by traffic loadconsidered through an wheels, contact pressur

The stiffness moduli of Viscoelasticity is allowed

Bituminous mixes aredetermined from a dyna

In this test a pulsing, sinThe stress is purely comisotropic stress, σH, catest specimen is recordresulting curve shows alinear increase. A thirsample. The parameterslope of the linear part (in fact a damage law) r(σ vm and σ H). This lastate linear increase) ovfor layers not subject todynamic creep test.

As a result, the predicoverlays, and bitumino

grave-ciment). Une telle prédiction, pour être réaliste, exige de surcroît uneconnaissance aussi complète que possible des différents paramètres d’entrée :distribution des températures à l’intérieur de la structure à différents moments de lajournée, histogrammes de trafic, lois de fluage, etc.

A un instant donné et pour une certaine classe de trafic, les contraintes σ vm et σ H etla température T sont calculées et on connaît alors, par application des lois de fluage,le taux de fluage en tout point de la structure. L’intégration de ces taux par rapport à la

aggregate). To be realistic, this prediction moreover requires a knowledge ascomplete as possible of the various input parameters: temperature distributions in thestructure at different times of day, traffic histograms, creep laws, etc.

At a given moment, and for a given category of traffic, the stresses σ vm and σ H andthe temperature T, are calculated and, by applying the creep laws, the creep rate isknown at any point in the structure. An integration of the various rates over depth,

elds the increase in rut depth over the period considered.

ficient or the calculation impossible (in the presence of radialalitative - more rapid - approach is used which consists of several alternatives the mix design for which the highests found in a creep test conducted under the most severeencountered in the structure.

p.123

profondeur, au trafic et au temps conduit finalement à l’accroissement de l’ornièredurant la période considérée.

Lorsque les données sont insuffisantes ou que le calcul n’est pas possible (existencede contraintes radiales de traction), une approche qualitative, plus rapide, est retenue.On se contente alors de sélectionner, parmi plusieurs candidats, la formule d’enrobéprésentant la meilleure résistance à l’orniérage lors d’un essai de fluage mené dansles conditions les plus sévères susceptibles d’être rencontrées dans la structure.

p.122

traffic and time finally yi

When the data is insuftensile stresses), a qumerely selecting fromresistance to rutting iconditions that may be

VII.4 CONCLUSIONS

Les considérations émises dans ce chapitre illustrent bien les ddans la prévision de la valeur absolue de la profondeur d’ornièredans le temps.

L’origine de cette situation réside dans la nature même du phénoproduit conduit, quel que soit le modèle utilisé, à une assez grrésultats due au fait notamment de l’influence importante des température qui sont des paramètres dont les valeurs à utiliser enêtre déterminées avec précision sur une longue période.

Dès lors, sous l’angle pratique, il semble préférable de recourir à et de les utiliser pour la vérification de projets de structures (propriétés des matériaux) afin d’en réduire au maximum les risune longue période (étude de sensibilité des paramètres extérieur

En ce qui concerne plus particulièrement l’orniérage par flubitumineux rappelons qu’il ne s’agit pas d’un problème de dimensmais bien d’un problème de formulation.

La solution réside donc dans l’utilisation de matériaux dont la staau cours d’essais effectués dans cette optique (essais de laboratoen vraie grandeur, essais sur routes expérimentales).

p.124

S

in this chapter clearly illustrate the difficulties encountered invalue of rut depth and its development in time.

on lies in the very nature of the phenomenon: when it occurs, itispersion of results, whatever model is used. This is due to thetraffic and temperature parameters, the long-term values oftely predicted for use in practice.

it seems, therefore, preferable to resort to simple models, andification of projected structures (thickness design and material

inimize the risk of rutting over a long period (by investigatingt external parameters).

ct to flow rutting in bituminous mixes, it may be reminded that design rather than of thickness design.

ion is to use materials the stability of which has been confirmedthat purpose (laboratory tests, accelerated full-scale tests, tests.

ifficultés rencontrées et de son évolution

mène qui lorsqu’il seande dispersion desparamètres trafic et pratique ne peuvent

des modèles simplesdimensionnement etques d’orniérage surs).

age des mélangesionnement structurel

bilité a pu être testéeire, essais accélérés

VII.4 CONCLUSION

The observations madepredicting the absolute

The origin of this situatileads to a rather wide dmajor influence of the which cannot be accura

For practical purposes to use them for the verproperties) in order to msensitivity to the relevan

In particular with respethis is a problem of mix

Consequently, the solutby tests carried out for on experimental roads)

p.125

ANNEXE APPENDIX

ORNIÉRAGE:ÉTAT DE LA PRATIQUE AU QUÉBEC

Avril 1993

Rapport

préparé par le Comité provincial - Routes souples (Québec)dans le cadre des travaux du Comité technique C8 de l’AIPCR

pour le XXe Congrès mondial de la Route, Montréal 1995

RUTTING:STATE OF THE ART IN QUEBEC

April 1993

Report

prepared by the Quebec Provincial Committee on Flexible Materialsas part of the work of PIARC Technical Committee C8

th World Road Congress in Montreal in 1995

ANNEXE / APPENDIX-P.127

for the XX

FOREWORD

Transports (Department of Transportation) is the main authorityacts in Quebec. Options with respect to road materials are taken, and procedures developed, and specifications drawn up by its In most cases other contract awarders adopt the specifications oft major amendments.

ing text reflects current practice within the Ministère, its contentsnged as necessary, and accepted by the representatives of other the Committee.

TABLE OF CONTENTS

RUTTING

he appearance of ruts

eans used to reduce rutting

utting versus thermal fatigue

AVANT-PROPOS

Le Ministère des Transports du Québec (MTQ) représente le principal donneurd’ouvrages dans le domaine routier. Ses orientations en matière de matériaux dechaussées, la normalisation des essais et procédures et l’établissement despécifications sont développés par ses services techniques. Dans la plupart des cas,les autres donneurs d’ouvrages adoptent les prescriptions du MTQ sans grandesmodifications.

Bien que le texte qui suit reflète l’état de la pratique courant au sein du MTQ, soncontenu a été visé, modifié selon le cas et accepté par les représentants des autresdonneurs d’ouvrages membres du comité.

TABLE DES MATIERES

INTRODUCTION

1. LES ORNIERES PAR FLUAGE

1.1 Apparition des ornières

1.2 Moyens mis en œuvre pour réduire l’orniérage

1.3 Orniérage vs fatigue thermique

The Ministère des awarding road contrstandards for teststechnical services. the Ministère withou

Although the followwere reviewed, chacontract awarders to

INTRODUCTION

1. FLOW

1.1 T

1.2 M

1.3 R

1.4 Apport des liants modifiés

1.5 Méthode de formulation

2. EFFET DE L’ORNIERAGE SUR LA CIRCULATION

3. MESURES DE L’ORNIERAGE

1.4 Contribution by modified binders

1.5 Mix design method

2 THE EFFECT OF RUTTING ON TRAFFIC

3 THE MEASUREMENT OF RUTTING

RING RUTS

APPENDIX- P.129

4. REPARATION DES ORNIERES

CONCLUSION

p.128-ANNEXE

4 REPAI

CONCLUSION

INTRODUCTION

associated with instability in a bituminous layer, wear of a roaddequate bearing capacity of a pavement structure.

ituminous materials appeared mainly in the eighties. A large portion ofrk was affected by this type of distress. The following text endeavoursphenomenon and the means used to mitigate it.

r of the surfacing is observed in roads carrying high volumes of traffic, stops and more particularly where limestone aggregate has been usedourse. The phenomenon is relatively infrequent, as the use of studdeddecrease. Ruts of a structural origin are found on the secondary is used by heavy lorries where load checks are virtually nonexistent. materials or a change in function of the road make the structureic, which explains the presence of structural ruts.

TING

arance of ruts

bituminous materials became a major general problem in the earlyources of the phenomenon are so manifold and interrelated that it isrly identify a single principal cause. The following aspects should

INTRODUCTION

Le phénomène d’orniérage peut être associé à une instabilité de la couche d’enrobé,à l’usure du revêtement ou à une déficience de la capacité structurale d’unechaussée.

L’orniérage dû au fluage des mélanges bitumineux est apparu principalement au coursdes années quatre-vingt. Une portion importante du réseau routier a été affectée parce type de dégradation. Le texte qui suit s’attache plus particulièrement à décrire cephénomène et les moyens mis en œuvre pour le réduire.

L’orniérage par usure du revêtement se rencontre sur les routes à haut niveau decirculation, sur les sections avec arrêts et plus particulièrement lorsque des granulatscalcaires sont utilisés en couche de roulement. L’usage de pneus à crampons étant demoins en moins répandu, l’apparition du phénomène est relativement peu fréquente.Les ornières d’origine structurelle sont concentrées sur le réseau secondaireemprunté par les poids lourds et où le contrôle de charge est presque inexistant. Desmatériaux de chaussée déficients ou un changement de vocation de la route rendantla structure de chaussée inadaptée au trafic peuvent expliquer la présence d’ornièresstructurelles.

1. L'ORNIÉRAGE PAR FLUAGE

1.1 Apparition des ornières

Le phénomène de l’orniérage par fluage des enrobés est devenu un problème majeuret courant au début des années quatre-vingts. Les sources du problème sont multipleset inter-reliées à un tel point qu’il est difficile d’identifier clairement une cause

Rutting can besurfacing, or ina

Flow rutting in bthe road netwoto describe the

Rutting by weain sections within the wearing ctyres tends to network, whichDefective roadunsuited to traff

1. FLOW RUT

1.1 The appe

Flow rutting in eighties. The sdifficult to clea

principale. Les aspects suivants doivent toutefois être soulignés :

• Au sortir de la crise du pétrole, les autorités gouvernementales étaient trèssoucieuses de limiter la consommation de carburant. Par souci d’économie, lebitume de classe de pénétration 85-100 a laissé sa place au 150-200. En effet,pour atteindre une viscosité propre à l’enrobage des granulats, la températuredu bitume 150-200 est inférieure à celle du 85-100. D’où économie d’huile de

nevertheless be underlined.

• At the end of the oil crisis, government authorities were very anxious to reducefuel consumption. Bitumen grade 85-100 was replaced with grade 150-200 forthe sake of economy. Indeed penetration 150-200 bitumen reaches therequired viscosity for coating aggregate at a lower temperature than penetration85-100 bitumen, which made it possible to save on fuel oil in coating plants.

easure was technically justified by the concern to limit cracking inous materials.

envelopes and requirements for aggregates were not modified on thatn.

APPENDIX- P.131

chauffage dans les centrales d’enrobage.

Cette position était justifiée techniquement par la préoccupation de limiter lephénomène de fissuration des enrobés.

Les fuseaux granulométriques et les exigences sur les granulats n’ont pas étémodifiés à cette occasion.

p.130-ANNEXE

This mbitumin

Gradingoccasio

of traffic has radically changed. We have seen the number of on very particular routes (shift from rail to road) and loads to 10 tonnes/axle.

y lorries, the appearance of radial-ply tyres and increasings have also had their effects. Developments in these variousyears remain difficult to quantify and even difficult to assess

design method was the only one in use. The stability valuesrantee an acceptable behaviour of the bituminous material,

ard to anticipate performance. On the other hand, it has beene certain criteria - such as voids in the mineral aggregatege of voids filled with bitumen, and percentage of voids - to.

high VMA value had, however, an adverse effect. Instead ofby adding coarse aggregate to the mix, manufacturers optedper yet equally well permitted method: increasing the finet. And since fine aggregates were most often rounded naturalmixes rutted even more severely and rapidly.

high percentage of voids with a low percentage filled within the production of slightly too lean and open-graded mixes

hich were subject to early stripping.

e were no tender specifications for the crushed (or fracturedrse aggregates.

angularity of fine aggregates the subject of any particular

• De profondes mutations ont affecté la configuration du trafic. Nous avonsassisté à une augmentation du nombre de poids lourds sur des itinéraires trèsparticuliers (transfert du rail vers la route) et à une majoration des charges de8,2 tonnes/essieu à 10 tonnes/essieu.

• Les modifications apportées aux véhicules poids lourds, l’apparition des pneusradiaux et l’augmentation des pressions de gonflage sont également desfacteurs d’influence. La progression de ces différents éléments au cours desannées reste difficile à quantifier et même à évaluer de façon adéquate.

• La méthode de formulation Marshall était la seule utilisée. Les valeurs de stabilitéobtenues ne garantissent pas un comportement acceptable de l’enrobé d’où unedifficulté d’anticiper les performances. Par contre, certains critères ont pu êtrereliés à la résistance à l’orniérage comme le vide dans le granulat minéral (VAM)et, le pourcentage de vides comblé par le bitume et le pourcentage de vide.

La recherche d’un VAM élevé a pourtant eu un effet inverse de celui escompté.Au lieu d’augmenter le VAM en ajoutant des gros granulats au mélange, lesentreprises ont choisi une méthode beaucoup plus économique et tout autantpermise : l’augmentation de granulats fins. Et puisque les granulats fins étaientgénéralement des sables naturels roulés ... les enrobés se sont orniérésdavantage et de plus en plus rapidement.

La poursuite d’un pourcentage de vide élevé et de vide comblé par le bitumefaible s’est soldé par la fabrication d’enrobés légèrement trop maigres, tropouverts et sans mastic donc sujet à un arrachement prématuré.

• Traditionnellement, aucune spécification sur la proportion de faces fracturéesdes gros granulats n’apparaissait au devis.

L’angularité des granulats fins ne faisait pas, non plus, l’objet d’exigencesparticulières.

• The configurationheavy lorries riseincrease from 8.2

• Changes to heavinflation pressurefactors over the properly.

• The Marshall mixfound do not guawhich makes it hpossible to relat(VMA), percentarutting resistance

The pursuit of a increasing VMA for a much cheaaggregate contensands … asphalt

The pursuit of abitumen resulted without mastic, w

• Traditionally therface) count of coa

Neither was therequirement.

• L’absence d’essai de chargement accéléré rendait difficile les prévisions deperformance des enrobés.

Nous ne disposons pas de méthode ni de modèle prédictifs permettant d’évaluer lesrisques d’orniérage.

1 .2 Moyens mis en œuvre pour réduire l’orniérage

• The lack of an accelerated loading test made it difficult to predict theperformance of mixes.

We do not have a predictive method or model to assess rutting risks.

1.2 Means used to reduce rutting

e configurations and gross weights are parameters which weme degree. We have, therefore, resolved to live with theselop mixes with a higher resistance to rutting.

were adopted in chronological order, with varying success.

APPENDIX- P.133

L’état de la circulation, la configuration des véhicules et les masses totales en chargesont des paramètres sur lesquels nous exerçons une influence limitée. Nous avonsdonc pris le parti de vivre avec ces contraintes et de développer des enrobés plusrésistants à l’orniérage.

Par ordre chronologique, les solutions suivantes ont été appliquées avec plus oumoins de succès :

p.132-ANNEXE

Traffic demand, vehiclcan control only in soconstraints and to deve

The following solutions

n grade 150-200 with 85-100 and using modified binders.

ly had a limited effect, as grading envelopes and the pursuit ofd the production of very fine mixes with low contents of coarse

rading envelopes, as follows: shift the specified envelope withaximum density curve, increase coarse aggregate content,

of the envelope for the fine aggregate in order to reduce thehis phenomenon was typical of the use of fine (and reputedly aggregates.

ges to the grading envelopes rutting began to be brought underecision to increase coarse aggregate content rather thanas justified by the need to develop mixes for 3 and 4 cm thick

. Moreover, increasing the aggregate size entails difficulties inthe gain in stability may be diminished by inadequate density, unevenness. Segregation problems may arise where thex is not sufficiently well-balanced.

concepts of crushed content of the coarse aggregate ande fine aggregate for mixes intended for high-volume roads.w mix designs suited to the volume of traffic on the road. Theids and the percentage of voids filled with bitumen differ with

the section to be paved.

mum bitumen content from a target percentage of voids varying

1. Remplacement du bitume de classe 150-200 par le 85-100 et utilisation de liantsmodifiés.

Cette mesure n’a eu qu’une influence l imitée puisque les fuseauxgranulométriques de mélanges et la poursuite du VAM ont favorisé la fabricationd’enrobés très fins, à faible proportion de gros granulats.

2. 1989

Refonte des fuseaux granulométriques sur la base des éléments suivants :décalage du fuseau de spécifications par rapport à la courbe de densitémaximum, augmentation de la proportion de gros granulats, limitation del’étendue du fuseau des granulats fins pour réduire la “bosse des sables”. Cephénomène est typique à l’utilisation de granulats fins d’origine naturelleconsidérés comme arrondis.

Ces par ces modifications aux fuseaux granulométriques que le phénomène del’orniérage a commencé a être maîtrisé. La décision d’augmenter la proportionde gros granulats et non la grosseur des granulats est justifiée par la nécessitéde développer des enrobés pour couche de roulement de 3 et 4 cm. De plus,l’augmentation de la grosseur des granulats entraîne des difficultés de mise enœuvre telles que le bénéfice en stabilité risque d’être diminué par desdéficiences de compacités, de joints et d’uni. Dans certains cas où la distributiongranulométrique n’est pas suffisamment bien balancée, des problèmes deségrégation surgissent.

3. 1991

Introduction de la notion de pourcentage de fracturation des gros granulats etd’angularité des granulats fins pour les enrobés destinés à des routes à hautniveau de circulation. Implantation de formulations adaptées au niveau decirculation de la route. Le pourcentage de vide et le pourcentage de vides combléspar le bitume diffèrent selon la densité de circulation de la section à revêtir.

Etablissement du pourcentage optimum de bitume à partir d’un pourcentage de

1. Replacing bitume

This measure onVMA encourageaggregate.

2. 1989

Redrawing the grespect to the mrestrict the width“VMA hump”. Trounded) natural

With these chancontrol. The daggregate size wwearing courseslaying such that faulty joints andgrading of the mi

3. 1991

Introducing theangularity of thImplementing nepercentage of votraffic density on

Establishing opti

vides visé variant de 3,5% pour les routes à circulation normale à 4,0% pour lesroutes à forte circulation. La méthode de formulation Marshall a donc étéamendée : la teneur optimale en bitume est obtenue à partir d’un pourcentagede vide donné et non établie à partir d’une moyenne entre la stabilité, la densitéet la teneur en vide médiane.

Utilisation de l’essai d’orniérage LCPC en complément à la méthode Marshallpour la vérification des formules de mélange lors de la validation en chantier.

from 3.5% for normal volume roads to 4.0% for high volume roads. TheMarshall mix design method was modified accordingly: optimum bitumen contentwas found from a given percentage of voids and not established from anaverage between stability, density and median voids content.

Using the LCPC rutting test to complement the Marshall method in checking mixdesign for validation on site.

ns for crushed content and angularity, as well as verification withster, have proved to be effective measures, so that they are stillre even being extended. The angularity criterion for fineow applied to all mixes manufactured for the ministry.

APPENDIX- P.135

Les spécifications de fracturation et d’angularité et la vérification à l’orniéreurLCPC se sont avérées des mesures concluantes à tel point qu’elles sont toujoursde rigueur et tendent même à se renforcer. Le critère d’angularité des granulatsfins s’applique maintenant à l’ensemble des enrobés fabriqués pour le MTQ.

p.134-ANNEXE

The specificatiothe LCPC rut tein force and aaggregates is n

quire a higher percentage of voids has resulted in thees with low bitumen and filler contents. These mixes are and sensitive to all sorts of distress. A shorter life thanto be expected. The gain in stability does not make up for.

um bitumen content from a target percentage of voids set

of mix (1500 tonnes) when voids content (average of threean 2%.

quirement for a high percentage of voids in mixes for high-

% range of voids during mix design and validation on site.ed to one third of the on-site validations of mix designs beings to call the imposed range of 1% in question again.

believe that these measures have brought flow in mixesut aggravating cracking phenomena. Work is in progress toose mixes without ... relapsing into rutting. The LCPC ruttingformation proneness of designed mixes to be checked in thet is severe and the acceptability threshold for rutting is the

, in spite of the considerable difference in legal limit for axleFrance, as opposed to 10 tonnes in Quebec.

y be considered to reintroduce conventional penetration 150-o increase the content of mineral filler. The presence of morer film of bitumen in the mix would benefit water stability and.

Quant à l’exigence d’un pourcentage de vides plus élevé, cette décision a eupour effet la fabrication d’enrobé à faible teneur en bitume et en filler. Cesenrobés sont sujet à des problèmes d’arrachement et sont sensibles à tout typede dégradation. Une durée de vie inférieure à la normale est probablement àprévoir. Le gain de stabilité ne contrebalance pas cette perte de durabilité.

4. 1992

Etablissement du pourcentage de bitume optimum à partir d’un pourcentage devides visé situé entre 3 % et 4 %.

Rejet d’un lot d’enrobé (1500 tonnes) lorsque le pourcentage de vides (moyennede 3 échantillons) est inférieur à 2 %.

Abandon de l’exigence de pourcentage de vide élevé pour des enrobés pourroutes à haut niveau de circulation.

Application d’une fourchette de 3 % - 4 % lors de formulation et la validation dela formule en chantier. La dernière mesure a provoqué la reprise du tiers desvalidations de formulation en chantier ce qui tend à remettre en cause l’écart de1 % imposé.

Tout porte à croire que ces mesures ont permis de maîtriser les problèmes defluage des enrobés sans accentuer les phénomènes de fissuration. Des travauxsont actuellement en cours pour augmenter la durée de vie de ces enrobéssans ... retomber dans l’ornière. L’essai d’orniérage LCPC permet de vérifier enlaboratoire la déformabilité des mélanges mis au point. L’essai est sévère et leseuil d’ornière acceptable appliqué est le même qu’en France et ce, malgré lesdifférences notables de charges légales : 13 tonnes par essieu en France contre10 tonnes au Québec.

Dans cette optique, il est envisageable de réintroduire les bitumes conventionnelsde classe 150-200 et d’augmenter la proportion de filler minéral. La présencedans l’enrobé d’une plus grande quantité de mastic et d’un film de bitume plusépais amélioreraient les propriétés de tenue à l’eau et la durabilité en général.

The decision to remanufacture of mixsubject to strippingnormal is probably this loss in durability

4. 1992

Establishing optimbetween 3 and 4%.

Refusing a deliverysamples) is lower th

Abandoning the revolume roads.

Applying a 3% - 4This measure has lrevoked, which tend

Everything leads tounder control withoextend the life of thtest enables the delaboratory. The tessame as in Franceloads: 13 tonnes in

In this respect it ma200 bitumens and tmastic and a thickedurability in general

L’utilisation de bitume amélioré et d’enrobés additionnés de fibres sur une baseplus élargie s’inscrit dans cette démarche.

1.3 Orniérage et fatigue thermique

L’amélioration de la structure granulaire des enrobés est à la base des mesures misesen œuvre pour contrer le phénomène d’orniérage. Toutes les dispositions qui ont

The wider use of improved bitumens and fibre-reinforced mixes fits in with thisapproach.

1.3 Rutting versus thermal fatigue

Improving the granular structure of bituminous mixes has been the basic principle intaking measures against rutting. All provisions tending to reduce bitumen or filler

t to be more harmful than useful. We are trying to increaseineral filler) content and to improve the properties of binders,

durability of bituminous materials. Thermal fatigue is part of

est to determine resistance to thermal cracking by impededratus identical to that of the Cold Regions Research andory of the US Army Corps of Engineers should becomer of 1993.

APPENDIX- P.137

entraîné une diminution de la proportion de bitume ou de filler se sont avérées plusnuisibles qu’utiles. Nous cherchons à augmenter les quantités de mastic soient lebitume et le filler minéral et à améliorer les propriétés des liants pour optimiser ladurabilité des enrobés. La fatigue thermique fait partie de cette préoccupation.

Nous sommes occupés à développer un essai de résistance à la fissuration thermiquepar retrait empêché. L’appareil, identique à celui du “Cold Regions Research andEngineering Laboratory ” de l’US Army Corps of Engineers, devrait être mis au pointau cours de l’hiver 1993.

p.136-ANNEXE

content have turned oumastic (i.e. bitumen + min order to optimize theour concern.

We are developing a tshrinkage. The appaEngineering Laboratoperational in the winte

n Quebec are characterized by the presence of variably spacedhis makes it very risky to identify with certainty the thermal have developed under those particular conditions.

modified binders

ified it may be, cannot repair deficiencies in the structure of theen used with a stable grading, modified bitumens increase the

mixes.

being investigated is to increase the penetrability of modifiedto obtaining mixes that perform better at low temperature whileat high temperature.

hod

almost forty years, bituminous mixes in Quebec have been the Marshall method. Modifications to the initial method wereStandard NQ-2300-900 is applied by all laboratories in Quebec.

sistance to deformation by this method is no longer adequateffic conditions. This gap has been filled in by introducing the

for high-volume roads are subjected to this test. In 1992 aboutigated were refused.

UTTING ON TRAFFIC

as a major deficiency in bituminous wearing courses and as a

Au Québec, les motifs de fissuration sont caractérisés par la présence de fissurestransversales plus ou moins distantes. Il devient par le fait même très hasardeuxd’identifier avec certitude les fissures de retrait thermique développées dans cesconditions particulières.

1.4 Apport des liants modifiés

Un liant, tout modifié qu’il soit, ne peut compenser un défaut de la structure dusquelette granulaire. Utilisé avec une distribution granulométrique stable, les bitumesmodifiés augmentent le rendement global des enrobés.

Une avenue actuellement à l’étude est l’augmentation de la pénétrabilité des bitumesmodifiés pour obtenir les enrobés plus performants à basse température et toujoursaussi stables à haute température.

1.5 Méthode de formulation

Traditionnellement, et depuis près de 40 ans, la formulation des enrobés québécoisest réalisée selon la méthode Marshall. Au fil des années, des modifications à laméthode initiale ont été apportées. La norme NQ-2300-900 reste suivie par l’ensembledes laboratoires du Québec.

L’évaluation de la résistance à la déformation des enrobés selon cette méthodes’avère inadaptée aux conditions actuelles du trafic. L’introduction de l’essai françaisd’orniérage vient combler cette lacune.

La majorité des enrobés destinés aux routes à haut niveau de circulation sont soumisà cet essai. En 1992, le taux de rejet des enrobés étudiés se situe à 6 %.

2. EFFET DE L’ORNIÉRAGE SUR LA CIRCULATION

L’orniérage des enrobés est considéré comme un défaut majeur des couches de

Crack patterns found itransverse cracks. Tshrinkage cracks which

1.4 Contribution by

A binder, however modgranular skeleton. Whoverall performance of

A possibility which is bitumens with a view retaining their stability

1.5 Mix design met

Traditionally, and for designed according tomade over the years.

The assessment of reunder present-day traFrench rutting test.

Most bituminous mixes6% of the mixes invest

2. THE EFFECT OF R

Rutting is considered

roulement affectant la sécurité des usagers. Les risques d’aquaplanage sont élevéspar temps pluvieux et les techniques de déneigement traditionnelles ne parviennentpas à rendre la chaussée sécuritaire.

Nous ignorons si la présence d’ornières amène l’usager à diminuer sa vitesse ou àlimiter les dépassements.

3. MESURES DE L’ORNIÉRAGE

hazard to the safety of road users. The risk of aquaplaning in rainy weather is highand traditional snow-clearing techniques cannot restore safety on rutted roads.

We do not know if the presence of ruts makes road users reduce speed or limit thenumber of overtaking manoeuvres.

3. THE MEASUREMENT OF RUTTING

ebec road network affected by rutting is hard to quantify. A studyer of 1993 should give a clearer idea of the extent or significancever the network. The collected information will yield the basicuring ruts and setting criteria. Among the parameters alreadytioned the depth, radius of curvature, sectional area, and water-uts.

APPENDIX- P.139

La proportion du réseau routier québécois affecté par des problèmes d’orniérage estdifficilement quantifiable. Une étude, prévue pour l’été 1993, devrait permettred’obtenir une image plus précise de l’importance du phénomène sur l’ensemble duréseau. Les informations recueillies fourniront les paramètres de base pour la mesured’ornières et l’établissement de critères. Parmi les paramètres déjà retenus,mentionnons la profondeur, le rayon de courbure, l’aire de la section ainsi que lacapacité de rétention d’eau de l’ornière.

p.138-ANNEXE

The portion of the Quplanned for the summof the phenomenon oparameters for measselected may be menretaining capacity of r

g apparatus is being developed to provide the necessary priorities and selecting interventions. Readings will bef 65 km/h, using laser technology. Data will be processed in

ameters will be stored in computer files.

used for spot measurements of rut depth according to a well- certain specific studies requiring greater accuracy we have anasures the transverse profi le of the road. The” makes it possible to measure about fifty profiles a day, with anen minutes per measurement. A second apparatus designeding developed. It is a 1.8-m straightedge fitted with retractable cm apart, which follow the profile of the road surface. Rutured directly.

of repair depends on the causes of rutting. The only eligibleproblems is to remove the unstable layer by planing (milling).kes it possible to locate the unstable material, which may being course.

by laying additional bituminous material, while structural rutshaviour of the pavement structure. A fuller rehabilitation study

ntify the source of the problem and to recommend the most.

rutting in the eighties triggered a process of complete reviewign in Quebec, based on performance requirements. The

cal characteristics has been abandoned in favour of usage

Un appareil de mesure à grand rendement est actuellement en développement en vuede fournir des informations nécessaires à l’établissement des priorités et des typesd’interventions. Effectuées à l’aide d’un laser, les lectures sont réalisées à une vitessede 65 km/h. Les données sont traitées en temps réel et les paramètres utilesemmagasinés sur ordinateur.

Pour évaluer la profondeur d’ornière de façon ponctuelle une règle de 1,8 m est utiliséeselon une procédure bien établie. Pour certaines études spécifiques nécessitant plusde précision, nous disposons d’un appareil de mesure du profil transversal de la route.Le transprofilographe permet la réalisation journalière d’environ 50 profils, un essaidurant en moyenne 7 minutes. Un deuxième appareil, conçu pour des étudesspécifiques, est actuellement en développement. Il s’agit d’une règle de 1,8 m delongueur munie de pointes rétractables distantes de 5 cm et épousant le profil de lachaussée. La profondeur d’ornière peut ainsi être mesurée directement.

4. REPARATION DES ORNIÈRES

Le type de réparation recommandé dépend des causes du phénomène d’orniérage.Pour une ornière de fluage, la seule solution envisageable est d’éliminer par planage(fraisage) la couche d’enrobé instable. Un carottage préalable permet d’identifier laposition du mélange instable qui peut se situer sous l’enrobé de surface.

Les ornières d’usure sont corrigées par apport de mélange bitumineux tandis que lesornières structurales constituent un indicateur de mauvais comportement de la structurede chaussée. Une étude de réfection plus complète est alors requise pour identifier lasource du problème et recommander le mode d’intervention le mieux adapté.

CONCLUSION

L’apparition d’ornières de fluage au cours des années quatre-vingts a déclenché unprocessus de refonte des enrobés québécois basé sur l’obtention de performancesrequises. La recherche de caractéristiques physiques données a été délaissée au

A high-yield measurininformation for settingperformed at a speed oreal time and useful par

A 1.8-m straightedge isdefined procedure. Forapparatus that me“transversoprofilographaverage duration of sevfor specific studies is beneedle points spaced 5depth can thus be meas

4. REPAIRING RUTS

The recommended typesolution to flow rutting Prior core sampling masituated under the wear

Wear ruts are correctedare indicative of poor beis then required to ideappropriate intervention

CONCLUSION

The appearance of flowof bituminous mix despursuit of given physi

profit des propriétés d’usage. La maîtrise du phénomène de fluage étant maintenantrelativement acquise, nous nous attachons à augmenter durabilité et flexibilité à bassetempérature afin d’optimiser l’utilisation des enrobés.

Les ornières d’usure ne représentent pas un problème sensible et peu de travauxtouchant cet aspect particulier sont prévus.

properties. With flow in bituminous materials relatively well under control, we are nowconcentrating on increasing low- temperature durability and flexibility in order tooptimize the use of bituminous materials.

Wear rutting is not an acute problem and not much work has been planned on thissubject.

s being given to structural rutting. Apart from the generallys, we are wondering about the influence of partial thawing of theThis situation often occurs in winter, when thaw with rain ishard frost. It is characterized by the confinement of an oftenpacted granular mass between a frozen layer and the running

g to assess to what extent the resulting anvil effect contributes tog process.

APPENDIX- P.141

Les ornières à caractère structurel suscitent de plus en plus d’intérêt. En plus desmécanismes généralement admis, nous nous interrogeons sur l’influence d’un dégelpartiel de la structure granulaire. Cette situation survient souvent en période hivernaleou un dégel avec pluie est suivi d’un gel subit et intense. Elle se caractérise par leconfinement d’une masse granulaire souvent saturée et décompactée par le gel entreune couche gelée et la surface de roulement. Nous tentons actuellement d’évaluer àquel point l’effet d’enclume contribue à accélérer l’orniérage.

p.140-ANNEXE

A growing interest iaccepted mechanismgranular structure. followed by sudden saturated frost-decomsurface. We are tryinaccelerating the ruttin

Denis BEAUCHESNE, Ing. Transport Québec,Direction - Support aux opérations.

Jean-Martin CROTEAU, Ing. ACRGTQ,Québec.

René DONAIS, Ing. ACLE (Fondatec),Montréal.

Guy DORÉ, Ing. Transports Québec,Service Sols et chaussées.

Pierre GILBERT, Ing.Ph.D. Université Québec,Génie et Construction.

Angelo GUGLIELMO AQFUB,Ville St-Laurent.

Jean HARDY, Ing. Beauchemin-Beaton-Lapointe Incn,Division Transports.

Anne-Marie LECLERC, Ing. M. Ing. Transports Québec,Laboratoire central.

Claude LUPIEN, Ing. Ph.D. Université Sherbrooke,Département Génie Civil.

La réalisation de cette annexe a étérendue possible par la participation desmembres du comité provincial sur lesenrobés souples:

This appendix was prepared with theparticipation of the members of theQuebec Provincial Committee on FlexibleMaterials:

Gérald R. PELLETIER, Ing. Ville de Montréal,Travaux Publics.

Nelson RIOUX, Ing. Transports Québec,Service Sols et chaussées.

Marius ROY, Ing.Ph.D. Université Laval,Département Génie civil.

Claude VINCENT, Ing. Ville de Québec,Service Ingénierie.

Le texte a été rédigé par : The text was written by Madame Anne-Marie LECLERC

p.142-ANNEXE

* **

Denis BEAUCHESNE, Ing. Transport Québec,Direction - Support aux opérations.

Jean-Martin CROTEAU, Ing. ACRGTQ,Québec.

René DONAIS, Ing. ACLE (Fondatec),Montréal.

Guy DORÉ, Ing. Transports Québec,Service Sols et chaussées.

Pierre GILBERT, Ing.Ph.D. Université Québec,Génie et Construction.

Angelo GUGLIELMO AQFUB,Ville St-Laurent.

Jean HARDY, Ing. Beauchemin-Beaton-Lapointe Incn,Division Transports.

Anne-Marie LECLERC, Ing. M. Ing. Transports Québec,Laboratoire central.

Claude LUPIEN, Ing. Ph.D. Université Sherbrooke,Département Génie Civil.

La réalisation de cette annexe a étérendue possible par la participation desmembres du comité provincial sur lesenrobés souples:

This appendix was prepared with theparticipation of the members of theQuebec Provincial Committee on FlexibleMaterials:

Gérald R. PELLETIER, Ing. Ville de Montréal,Travaux Publics.

Nelson RIOUX, Ing. Transports Québec,Service Sols et chaussées.

Marius ROY, Ing.Ph.D. Université Laval,Département Génie civil.

Claude VINCENT, Ing. Ville de Québec,Service Ingénierie.

Le texte a été rédigé par : The text was written by Madame Anne-Marie LECLERC

p.142-ANNEXE

* **

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I . ÉVOLUTION DES CONDITIONS DE SOLLICITATIONS DES STRUCTURES

ROUTIÈRES

Un des facteurs essentiels à prendre en considération dans la conception deschaussées à revêtement bitumineux est le trafic ou, d’une manière plus explicite, lescaractéristiques géométriques et pondérales des véhicules commerciaux (poidsmaximum autorisé > 35 kN).

Au cours de ces vingt dernières années l’évolution de ces caractéristiques a été assezspectaculaire avec, pour conséquence, une agressivité plus grande du trafic nonseulement par l’augmentation du nombre de véhicules commerciaux mais aussi parl’augmentation des effets destructeurs par véhicule.

Nous illustrerons ici cette situation par quelques exemples caractéristiques.

Le premier exemple concerne des mesures effectuées en Belgique. Elles permettent,pour les routes à grande circulation, de comparer les conditions de trafic rencontréesen 1970 et celles rencontrées en 1992 [7].

La figure 2 donne, pour 1970 et 1992, la distribution des charges par essieu individuelrencontrées sur les routes à circulation importante. La figure 3 donne, pour 1970 et1992, l’intensité des effets destructeurs correspondants (les grandeurs portées surl’axe des ordonnées sont les produits fi x Pi4 où fi est la fréquence d’apparition de lacharge par essieu Pi).

p.16

Figure 2 - Distribution des charges par essieu (Belgique)Figure 2 - Axle load distributions (Belgium)

I . DEVELOPMENTS IN LOADING CONDITIONSFOR ROAD STRUCTURES

One of the main factors to be considered in designing bitumen-paved roads is trafficor, to be more explicit, the geometric and weight characteristics of commercial vehicles(permissible maximum weight > 35 kN).

Developments in these characteristics have been rather dramatic over the past twentyyears. As a result, traffic has become more aggressive not only by the increase innumber of commercial vehicles but also by the increase in damaging effects pervehicle.

This may be illustrated by a few characteristic examples.

The first relates to measurements carried out in Belgium. These measurementsperformed on trunk roads make it possible to compare traffic conditions of 1970 withthose of 1992 [7].

Figure 2 shows the 1970 and 1992 distributions of loads per individual axle observedon high-volume roads. Figure 3 represents the corresponding damaging effects for1970 and 1992 (with the product fi x Pi4 - where fi is the frequency of occurrence ofaxle load Pi - on the axis of ordinates).

p.17

Figure 3 - Effets destructeurs des charges (Belgique)Figure 3 - Damaging effects of loads (Belgium)

- l’Est de la France qui voit passer le plus grand nombre d’essieux tridem regroupeles régions qui ont constaté la plus nette réapparition de l’orniérage.

Le troisième exemple qui sera retenu provient d’une étude américaine [9]. Il concerneplus spécialement l’augmentation des dommages liés aux roues simples à pneu largevis-à-vis de la fissuration et l’orniérage. L’étude repose sur l’observation ducomportement de sections routières expérimentales soumises à l’action de l’ALF(Accelerated Loading Facility Machine).

La principale conclusion obtenue est que la roue simple à pneu large (425/65R22.5) estsignificativement plus dommageable pour les structures conventionnelles flexibles que latraditionnelle roue jumelée (11 R22.5). C’est ainsi que pour une même charge (54,5 kN)et une même pression de contact (0,70 MPa), la roue simple à pneu large induit unedéformation unitaire de compression plus élevée dans toutes les couches de la chausséeet un allongement unitaire de traction à la base de la couche bitumineuse également plusélevé. Ces augmentations de déformation entraînent une diminution de durée de vie tantau point de vue de la fissuration que du point de vue de l’orniérage. Pour les structuresconsidérées dans l’étude et pour une vitesse de circulation de 19 km/h, la roue à pneularge conduit à une profondeur d’ornière environ deux fois plus grande que la rouejumelée et à une durée de vie en fatigue (fissuration) quatre fois plus faible que dans lecas de la roue jumelée. C’est ce qu’illustrent les figures 5 et 6 extraites de la réf. [9].

p.20

Figure 5 - Effet comparé des roues simples et des roues jumelées sur la fissuration et l’orniérage- Essai accéléré sur l’ALF de la FHWA à Washington D.C. [9]

Figure 5 - Comparative effects of single and dual wheels on cracking and rutting - Accelerated test on the ALF of FHWA in Washington D.C. [9]

PR

OF

ON

DE

UR

D'O

RN

IER

EF

ISS

UR

AT

ION

(mm

)(m

)R

UT

DE

PT

HC

RA

CK

ING

NOMBRE D'APPLICATIONS DE LA CHARGE / LOAD APPLICATIONS (1000)SECTION AVEC 89 mm D'ÉPAISSEUR D'ENROBÉ BITUMINEUX 89 mm ASPHALT SECTION

11R22.5 Jumelée/Dual

11R22.5 Jumelée/Dual

425/65R22.5 Simple/Single

425/65R22.5 Simple/Single

- the eastern part of France, where most triple axles were recorded, contains theareas where rutting had reappeared most markedly.

The third example comes from an American study [9]. It refers to the increasingcracking and rutting damage caused by wide-based single tyre. The study is based onobservations of the performance of experimental road sections in tests with theAccelerated Loading Facility (ALF) machine.

The main conclusion is that a wide-based single tyre (425/65R22.5) is significantlymore damaging to conventional flexible structures than a traditional dual tyre(11R22.5). Load (54.5 kN) and contact pressure (0.70 MPa) being equal, a wide-based single tyre induces a greater unit compressive strain in all pavement layers, anda greater unit tensile strain at the bottom of the bituminous layer. As a result, the lifeof the pavement will be shortened both for cracking and rutting. With the structuresconsidered in the study and a traffic speed of 19 km/h the single tyre led to ruts twiceas deep, and fatigue lives (cracking) four times as short, as the dual tire. This isillustrated by figures 5 and 6 from ref. [9].

p.21

Figure 6 - Effet comparé des roues simples et des roues jumelées sur la fissuration et l’orniérage- Essai accéléré sur l’ALF de la FHWA à Washington D.C. [9]

Figure 6 - Comparative effects of single and dual wheels on cracking and rutting - Accelerated test on the ALF of FHWA in Washington D.C. [9]

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(mm

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)R

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NOMBRE D'APPLICATIONS DE LA CHARGE / LOAD APPLICATIONS (1000)SECTION AVEC 178 mm D'ÉPAISSEUR D'ENROBÉ BITUMINEUX 178 mm ASPHALT SECTION

425/65R22.5 Simple / Single

425/65R22.5 Simple / Single

11R22.5 Jumelée / Dual

11R22.5 Jumelée / Dual

Ces résultats sont confirmés et précisés par un quatrième exemple relatif à une étuderéalisée sur le manège de fatigue du LCPC [48], sur une structure de chaussée semi-rigide, pour laquelle l’orniérage ne résulte que du fluage des enrobés bitumineux. Lesroues simples et les roues jumelées ont été chargées respectivement à 42,5 kN et65 kN, pour tenir compte de ce que dans un essieu tridem chacune des six rouessimples supporte une charge plus faible que chacune des quatre roues jumelées dansun essieu tandem. La pression de gonflage étant la même, les pressions de contactétaient respectivement de 0,67 MPa et 0,57 MPa. La figure 7 montre les profondeursd’ornières obtenues en fonction du nombre d’applications des charges, pour un bétonbitumineux de 8 cm d’épaisseur réalisé avec un bitume de pénétration 50/70. Lesrayons de circulation des charges étant différents, chaque charge a été appliquée surdeux rayons afin de pouvoir se ramener à une comparaison à une même vitesse de43 km/h. Pendant la période chaude, la roue simple a conduit à une augmentation deprofondeur d’ornière 60 % supérieure à celle créée par la roue jumelée. Pour desenrobés bitumineux ayant une meilleure résistance à l’orniérage (tels que des enrobésà liants modifiés) ce pourcentage est moindre. En moyenne, on peut déduire de cesessais que la même charge transportée sur un essieu tridem ou sur un essieu tandemconduira à une profondeur d’ornière 50 % supérieure dans le cas de l’essieu tridem.

Le nombre d’exemples prouvant l’augmentation de l’agressivité du trafic au cours deces dernières années pourrait être multiplié mais nous pensons que ceux qui ont étéretenus illustrent bien la situation actuelle.

On peut déjà conclure que de par son importance l’évolution des conditions desollicitation n’a pas été sans influence sur le comportement des chaussées àrevêtement bitumineux et sur le comportement des couches bitumineuses prisesindividuellement. Une telle situation a nécessité de repenser entièrement la questionde la formulation des couches bitumineuses.

L’agressivité du trafic est telle qu’aujourd’hui il faut admettre que dans le cas demélanges bitumineux tous les constituants jouent un rôle essentiel et que si le liant(bitume pur ou bitume modifié) reste un constituant important il faut de plus en plusfaire appel aux qualités du squelette minéral pour assurer la durabilité et la stabilité deces mélanges.

p.22

Figure 7 - Effet comparé des roues simples et des roues jumelées sur l’orniérage par fluage - Essai accéléré sur le manège LCPC [48]

Figure 7 - Comparative effects of single and dual wheels on flow rutting- Accelerated test on the LCPC track [48]

Roue jumelée Roue simpleDual wheel Super single wheel

Rayon /Radius = 15.5 m Rayon /Radius = 16.5 m

Rayon /Radius = 18.5 m Rayon /Radius = 19.5 m▲

●

■

✖

➜

These results are confirmed and refined in a fourth example: a study carried out on theLCPC fatigue test track [48] using a semirigid pavement structure, so that rutting could onlyresult from flow of the bituminous surfacings. Super single and dual wheels were loaded to42.5 kN and 65 kN, respectively, to allow for the fact that each of the six single wheels on atriple axle carries a lighter load than each of the four dual wheels on a tandem axle. Withequal inflation pressures, contact pressures were 0.67 and 0.57 MPa, respectively. Figure 7shows the rut depths produced versus the number of load applications, for bituminousconcrete 8 cm thick manufactured with a penetration 50/70 bitumen. Since the loadingpaths were to be different, each load was applied with two radii to the centre of the track,and angular velocity was adapted to permit comparison at one and the same travel speed of43 km/h. In the hot period the single wheel led to an increase in rut depth 1.6 times thatproduced by a dual wheel. A lower ratio was found for bituminous mixes more resistant torutting (such as mixes manufactured with modified binders). On average it may beconcluded from these tests that when transported on a triple axle, a given load will produceruts 1.5 times as deep as when carried by a tandem axle.

Many more examples could be given to demonstrate that traffic has become moreaggressive over the past few years, but those presented above clearly illustrate thepresent situation.

p.23

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AG

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NOMBRE DE PASSAGES / NUMBER OF PASSAGES

V = 6,5 tpmV = 6.5 rpm

V = 3 tpmV = 3 rpm

It can already be concluded that the considerable developments in loading conditionshave not failed to affect the performance of bitumen-paved roads in general andbituminous layers in particular. This has led technologists to completely reconsiderthe mix design of bituminous courses.

The aggressivity of present-day traffic is such that it must be recognized that allconstituents play an essential part in a bituminous mix and that, although the binder(pure or modified bitumen) remains an important constituent, increasing use will haveto be made of the qualities of the mineral skeleton to ensure the stability and durabilityof that mix.

Notons encore que plusieurs de ces essais (en particulier l’essai Marshall) font partiede méthodes de formulation à partir desquelles on décide des compositions à mettreen œuvre sur chantier. Lors d’une telle utilisation des essais il importe donc de sesoucier d’une part, de la représentativité du mélange préparé en laboratoire vis-à-visdu mélange qui sera réellement réalisé et, d’autre part, de la représentativité ducomportement observé en laboratoire vis-à-vis du comportement réel. La non-observation de cette remarque peut conduire à bien des déboires.

En plus des essais de laboratoire, il faut citer les essais accélérés en vraie grandeur. Ilexiste plus de vingt installations dans le monde et nous mentionnerons ici à titred’exemples le manège de Nantes, LCPC [17], de Madrid, CEDEX [18], de Zurich, IFT[19] et l’installation australienne également utilisée par la FHWA à Washington D.C.[9]. Ils permettent la sollicitation de structures routières complètes construites etchargées comme des routes réelles (matériaux, équipements, charges). Les objectifsgénéralement poursuivis sont la comparaison du comportement de différents types dematériaux, de l’influence des différentes techniques de construction, de différentsmodes de chargements. Nous avons déjà présenté des résultats obtenus sur lemanège de Nantes, LCPC (voir Chapitre I, figure 7 - influence roue simple à pneularge et influence roue jumelée sur l’orniérage). Nous terminerons à titre illustratif cetexemple par des résultats obtenus sur le Manège de Madrid, CEDEX (figure 8) et quisont relatifs à la comparaison de la résistance à l’orniérage de six sections routièresse différençiant par la structure et l’épaisseur de la couche bitumineuse (Sections 1, 2et 3 : sous-fondation granulaire non concassée, 25 cm ; fondation granulaireconcassée, 25 cm ; couche bitumineuse respectivement 15, 12 et 10 cm. Sections 4,5 et 6 : absence de sous-fondation granulaire ; fondation granulaire concassée, 25 cm; couche bitumineuse respectivement 18, 15 et 12 cm). Dans cette expériencecependant l’orniérage par fluage de l’enrobé bitumineux ne peut être séparé del’orniérage par déformation permanente des couches granulaires non liées et du sol,la conception du plan d’expérience visant à étudier avant tout la structure de lachaussée dans son ensemble.

p.40

Figure 8 - Déformation permanente de plusieurs structures de chaussées souples,obtenues sur l’installation d’essais accélérés du CEDEX à Madrid

Figure 8 - Permanent deformations obtained in various flexible pavement structureson the CEDEX accelerated test facility in Madrid

➜

It should further be noted that some tests (in particular the Marshall test) have beenincluded in mix design methods to decide what compositions should be used on site.In such applications one should be concerned about the extent to which the mixprepared in the laboratory is representative of the mix that will be laid on the road, andabout how far the behaviour observed in the laboratory reflects actual fieldperformance. Any neglect in this respect may result in failure.

Besides laboratory tests, accelerated full-scale tests are worth noting. There are morethan twenty full-scale test facilities in the world; examples are the circular test tracks atNantes, LCPC [17], in Madrid ,CEDEX [18] and in Zurich ,IFT [19], as well as theAustralian ALF facility used by FHWA in Washington D.C. [9]. They make it possibleto test full road structures constructed and loaded like actual roads (materials,equipment, loads). The object is most often to compare the performance of differenttypes of material, or the effects of different construction techniques or loading modes.The results obtained on the LCPC test track at Nantes have been presented already(see Chapter I, figure 7 : the effects of super single wheels and dual wheels onrutting). They may be complemented by an example of results obtained on theCEDEX test track in Madrid (figure 8) when comparing the resistance to rutting of sixroad sections differing in structure and in thickness of bituminous surfacing (sections1, 2 and 3: 25 cm of uncrushed granular sub-base, 25 cm of crushed granular roadbase, and 15, 12 and 10 cm (respectively) of bituminous surfacing; sections 4, 5 and6: no granular sub-base, 25 cm of crushed granular base, and 18, 15 and 12 cm(respectively) of bituminous surfacing). In this experiment it is, however, not possibleto separate flow rutting in the bituminous material from permanent deformation ruttingin the unbound granular layers and the subgrade, the experiment being primarilydesigned to study the pavement structure as a whole.

p.41

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m)

NOMBRE DE CYCLES / NUMBER OF CYCLES (X 10-3)

Pour illustrer ce point de vue d’une manière générale nous reprendrons ci-dessousquelques résultats obtenus à partir de l’essai de fluage dynamique (compressionrépétée) et tirés de la réf. [23] (CRR - Belgique).

Dans cet essai, une éprouvette cylindrique est soumise, sur sa surface latérale, àl’action d’une pression σ3 qui, une fois son niveau d’intensité choisi, est maintenueconstante dans le temps et, sur sa base supérieure, à l’action d’une pression verticaleσ qui est une fonction périodique du temps de la forme :

σ = σ1 (1 + cos ωt)

A la déformation permanente verticale de l’échantillon est associée une fonction de laforme :

A / (σ1 - σ3) où :

A est la déformation permanente verticale de l’échantillon après 1 000 secondes.Cette fonction a donc les dimensions de l’inverse d’un module et peut être assimilée àl’inverse du module de déformation permanente du mélange 1/Ep.

La figure 9 extraite de la réf. [23] obtenue suite à l’étude de cinq mélanges couvrantune large gamme de composition (voir tableau I) et sur lesquels furent exécutésquelque 100 essais correspondant à des températures et des fréquences desollicitation différentes montre que la sensibilité de 1/Ep vis-à-vis du module | E* |(module du module complexe) est d’autant plus grande que | E* | est faible.

p.46

Taille max.

Compositionenpoids

Compositionenvolume

Max. size

Compositionbymass

Compositionbyvolume

(φmm)

% pierres% sable% filler% liant

VG granulatsVL liantv videsVG/VL

(φmm)

% stone% sand% filler% binder

VA aggreg.VB binderv voidsVA/VB

32

5538

76,1

81,613,4

56,08

32

5538

76,1

81,613,4

56,08

32

603194,7

82,110,17,87,91

32

7618,5

5,53,8

76,27,8

169,77

16

4048126

82,811,267,39

Bitumes pénétration 57 97 97 97 42 penetration Bitumenscoefficient J 0,349 0,429 0,429 0,429 0,321 coefficient J

N° du mélange 56 79 66 67 68 No. of mix

TABLEAU I TABLE IComposition et caractéristiques des mélanges

Mix compositions and characteristics

Note : J = d log pen , susceptibilité à la déformation permanente

d log t susceptibility to permanent deformation

To illustrate this, a few results from the dynamic creep test (repeated compression) arereported below from ref. [23] (Belgian Road Research Centre).

In this test a cylindrical specimen is subjected to a lateral pressure, σ3, which is keptconstant once its level of intensity has been selected, and to a vertical pressure on itsupper surface, σ, which is a periodic function of time:

σ = σ1 (1 + cos ωt)

A function is associated with the permanent vertical deformation of the specimen, as follows:

A / (σ1 - σ3) where:

A is the permanent vertical deformation of the specimen after 1,000 s. This functionhas, therefore, the dimensions of the reciprocal of a modulus and can be assimilatedto the reciprocal of the permanent deformation modulus of the mix, 1/Ep.

Figure 9 (from ref. [23] ) resulting from a study on five mixes with widely differentcompositions (see table I), which were subjected to some hundred tests at varioustemperatures and loading frequencies, shows that 1/Ep is all the more sensitive to the| E* | modulus (modulus of the complex modulus) as | E* | is lower.

p.47

Figure 9 - Influence du module | E* | et des contraintes sur le paramètre AFigure 9 - Effect of the | E* | modulus and stresses on parameter A

A = 115 x (σ1 - σ3 )

| E* |

valable pour :range of validity:

0,05 < (σ1 - σ3) < 0,5 [m2/MN]

Mélange n°Mix No.

● 56❍ 59✛ 66✕ 67

68

On peut donc conclure à l’existence d’une relation entre l’aptitude d’un mélange àrésister à l’orniérage et son module | E* | ; la forme de la courbe montre que lorsque lemodule | E* | descend en dessous d’un certain seuil, la stabilité du mélange (valeurde Ep) chute rapidement (1/Ep augmente rapidement).

Ceci explique pourquoi les lieux de prédilection de l’apparition du phénomèned’orniérage par fluage des couches bitumineuses correspondent à des zones à plusfaible vitesse de circulation et que ce phénomène se manifeste principalement etparfois en un temps très court pendant les périodes chaudes car c’est dans cesconditions que le module | E* | est le plus faible (partie ascendante de la courbe de lafigure 9).

Un résultat analogue a été obtenu par D. Brien [24] qui, à partir de la mesure de larigidité Marshall (rapport : stabilité/fluage) effectuée sur des éprouvettes prélevéesdans des routes réelles, a montré que la profondeur d’ornière constatée dépendait decette rigidité. La figure 10 relative à ce résultat montre ici aussi que la stabilité d’unmélange chute rapidement lorsque la rigidité du mélange descend en dessous d’uncertain seuil.

Des mesures effectuées au Japon confirment également ce résultat (figure 11, [1] ).

Les résultats présentés sur les figures 9, 10 et 11 conduisent à conclure que lamesure de la “rigidité” d’un mélange et de la susceptibilité de cette grandeur à latempérature sont des mesures indirectes de la résistance à l’orniérage par fluage dece mélange.

p.48

Figure 10 - Profondeur d’ornière en fonction de la rigidité Marshall (S/F) [24]Figure 10 - Rut depth versus Marshall stiffness (S/F) [24]

● Gussasphalt✛ Hot Rolled Asphalt

Béton bitumineuxMacadam à bitume

GussasphaltHot Rolled Asphalt

Bituminous concreteBitumen macadam

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RIGIDITÉ MARSHALL / MARSHALL STIFFNESS (S/F) [kgf/mm]

Hence it can be concluded that there is a relation between the capability of a mix toresist rutting and its | E* | modulus; the shape of the curve shows that the stability ofthe mix (value of Ep) decreases rapidly (1/Ep increases rapidly) when the resilientmodulus drops below a certain threshold value.

This explains why flow ruts in bituminous layers sooner appear in low traffic speedareas and why the phenomenon occurs mainly, and sometimes very rapidly, in hotweather periods, since these are the conditions under which the | E* | modulus islowest (rising part of the curve in figure 9).

A similar result was found by D. Brien [24], who was able to demonstrate thatobserved rut depth depended on Marshall stiffness (stability/flow ratio) as measuredon samples taken from existing roads. Figure 10 illustrating this result also shows thatthe stability of a mix decreases rapidly when its stiffness drops below a certainthreshold value.

This is further confirmed by measurements carried out in Japan (figure 11, [1] )

The results presented in figures 9, 10 and 11 lead to the conclusion that the “rigidity” ofa mix and the temperature susceptibility of this characteristic are indirect measures ofresistance to flow rutting.

p.49

Teneur en bitume / Bitumen contentnormale -0,5%/ normal-0,5% normale / normal

Figure 11 - Profondeur d’ornière en fonction de la rigidité Marshall (S/F) [1]Figure 11 - Rut depth versus Marshall stiffness (S/F) [1]

RAPPORT STABILITÉ/FLUAGE / STABILITY/FLOW RATIOS/F (kg cm-1 x 100)

PROFONDEUR D'ORNIERE / RUT DEPTHd (mm)

p.60

CALCULATED VMA CALCULÉ

MEASURED VMA MESURÉ

Calibre(mm): 32,00 1,00 8,00 4,00 2,00 1,00 0,50 0,25 0,13 0,06

Size

Type 1 100,0 95,6 73,3 55,9 43,1 36,0 28,8 20,5 13,6 10,4Type 2 100,0 100,0 98,0 74,7 61,8 51,3 40,8 28,5 17,7 11,9Type 2-F 100,0 100,0 97,7 71,3 56,5 44,6 32,7 19,0 7,4 1,6Type 4 100,0 100,0 96,9 60,6 44,0 35,9 27,8 19,2 11,9 8,0GAB57 100,0 96,3 65,1 42,5 38,6 34,6 30,6 18,6 9,2 6,7Z.O.A. 100,0 96,3 41,7 20,0 18,5 14,3 10,2 7,6 6,0 5,1P 0-2 100,0 100,0 100,0 100,0 99,8 60,8 25,9 5,5 1,2 0,2SMA 0-11 100,0 100,0 73,3 37,3 24,2 21,0 17,7 15,9 13,4 11,0Talbot 100,0 100,0 96,7 63,8 42,0 31,6 21,2 15,3 11,2 8,4

Figure 12 - Granularité des différents types de mélanges étudiésUne courbe granulométrique moyenne est donnée par type [28]

➜Figure 12 - Particle size distributions of the various mix types investigated.

An average grading curve is given per type [28]

Figure 13 - Corrélation entre les vides calculés et les vides mesurés dans 49 mélangesutilisés pour la vérification [28]

Figure 13 - Correlation between calculated and measured voids in 49 mixes used for verification [28]

x

x

x

x

x

x

Droite de régression :Regression line :Y = A x (X + B)

A = 1,01B = -0,024

Sxy = 1,277N = 49

Corr = 0,967

% PASSANT / PASSING

p.61

CALCULATED VQ CALCULÉ

Figure 14 - Corrélation entre les vides calculés et les vides mesurés dans le squelette sable-pierres des 49 mélanges sélectionnés pour la vérification [28]

Figure 14 - Correlation between calculated and measured voids in the sandand stone skeletons of the 49 mixes [28]

Droite de régression :Regression line :Y = A x (X + B)

A = 1,03B = -0,830

Sxy = 1,149N = 49

Corr = 0,959

La principale raison de cette situation est que ces méthodes ne peuvent plus, pour lesbesoins de la pratique, décrire suffisamment le comportement des mélanges lorsqu’ilssont soumis aux conditions actuelles de circulation et aussi parce qu’il est devenuindispensable d’attacher une attention toute particulière non seulement aux propriétésmécaniques mais aussi aux caractéristiques volumétriques des enrobés compactés. Uneconséquence immédiate est l’importance capitale que jouent le mode et l’intensité ducompactage dans la préparation des échantillons utilisés dans les études de formulation.

Les méthodes traditionnelles de formulation mettent en jeu des sollicitations éloignéesdes sollicitations réelles. Ces sollicitations sont parfois bien définies (cas desollicitations types simples) mais aussi parfois mal définies . Il en résulte quel’interprétation physique des résultats ne peut être que partielle, voire mêmeimpossible. De plus, les échantillons utilisés dans les études ne sont pas les mêmes(composition volumique) que les mélanges mis en œuvre.

Certes, dans le passé, ces méthodes ont rendu de grands services en évitant l’emploide mélanges manifestement inadaptés au rôle qu’on désirait leur faire jouer.Aujourd’hui, elles permettent encore d’éviter les “grosses” erreurs mais les conditionsde sollicitation sont devenues telles qu’elles n’offrent plus une garantie suffisante deréussite ; nous pensons que les données des chapitres précédents en sont la preuve.

Pour clore ce paragraphe consacré aux méthodes traditionnelles de formulation nousvoudrions, sur base des résultats d’une expérience effectuée aux USA [45] mettrequantitativement en évidence l’influence considérable que peut jouer le mode decompactage en matière de formulation.

Dans cette expérience concernant la formulation de mélanges bitumineux mis enœuvre sur des pistes d’un aérodrome devant supporter l’action d’avions F-15C/D(haute pression de gonflage : 22 bars) deux modes de compactage ont été utiliséspour prévoir la composition volumétrique des enrobés et choisir leur formule enfonction des résultats obtenus : le compactage Marshall (Military Standard 620A,method 100 - 75 coups) et le compactage à la presse à cisaillement giratoire (ASTM D 3387) ; pression 20 bars, 1° d’angle de giration, 30 et 60 révolutions).

Les mélanges fondés sur le compactage Marshall ont montré un manque de stabilitéqui s’est traduit par un orniérage rapide et important tandis que les mélanges fondéssur le compactage à la presse à cisaillement giratoires se sont révélés beaucoup plusperformants.

Les auteurs expliquent cette différence de comportement par le fait que le compactageMarshall est insuffisant et que l’application de la méthode de formulation Marshallconduit ainsi à un excès de liant. Ce qui n’est pas le cas avec le compactage à lapresse à cisaillement giratoire. La figure 15 extraite de la réf. [45] montre la bonnecorrespondance entre le compactage in situ (mise en œuvre et trafic) et lecompactage à la presse de cisaillement giratoire.

p.80

Figure 15 - Compacité labo et Compacité in situ [45]➜

Figure 15 - Laboratory versus field density [45]

The main reason for this is that they can no longer adequately describe for practicalpurposes how mixes will behave under present-day traffic conditions, and also that ithas become necessary to pay particular attention to not only the mechanicalproperties but also the volumetric characteristics of compacted mixes. From this itimmediately follows that the mode and intensity of compaction are vitally important inthe preparation of samples for mix design studies.

Traditional mix design methods reckon with loads that are far from the actual loads.These loads are sometimes well (simple standard conditions), sometimes poorlydefined. This means that the physical interpretation of the results can only be partialor even be impossible. Moreover, the samples used in mix design studies are notidentical (in composition by volume) to the mixes laid on site.

These methods have certainly been very useful in the past to avoid laying mixes thatwere obviously unsuited to the role they were to play. Even today they make it possibleto prevent “major” errors, but loading conditions have become such that they no longersufficiently guarantee success. We think the previous chapters have proved this point.

To conclude this section on traditional mix design methods, the results of an experimentin the USA [45] may be presented here in order to quantitatively illustrate theconsiderable effect which the mode of compaction may have on mix design.

In this experiment concerning the design of bituminous mixes to be laid on airfieldstrips carrying F-15C/D aircrafts (high inflation pressure: 22 bars), two modes ofcompaction were used to predict the composition by volume of bituminous mixes andselect their design on the basis of the results obtained: Marshall compaction (MilitaryStandard 620A method, 100 - 75 blows) and compaction with the gyratory testingmachine (ASTM D 3387; pressure: 20 bars, gyratory angle: 1°, 30 and 60 revolutions).

The mixes based on Marshall compaction exhibited poor stability in the form of rapid andsevere rutting, whereas those based on gyratory compaction proved to perform much better.

The authors explain this difference in performance by the inadequacy of Marshallcompaction leading to mix designs with excessive binder contents, unlike compactionwith the gyratory testing machine. Figure 15 taken from ref. [45] indicates goodagreement between field compaction (laying and trafficking) and gyratory compaction.

p.81

COMPACITÉ F-15 COMPACTION (% TMD)

L’essai est sensible auxvariations des caractéristiquesdes constituants et de leurnature comme le montrent lesfigures 16 et 17 extraites desréf. [48,49] et qui sontrespectivement relatives àl’influence de l’angularité dusable et de la nature du liant. Ilpossède une très bonnerépétabilité et reproductibilité.

Cet essai, partie intégrante de laméthodologie française deformulation des mélangesbitumineux, fait l’objet despécifications pour chaquecatégorie d’enrobés normalisés

de manière à garantir leurrésistance à l’orniérage : parexemple pour un bétonbitumineux semi-grenu decouche de roulement, laprofondeur d’ornière ne peutêtre supérieure à 10 mm après30 000 cycles de chargementdans un essai à 60 °C.

D’autres essais mécaniquessont aussi uti l isés dans descirconstances spéciales commepar exemple dans le cas où ledimensionnement de la structureroutière contenant la couchebitumineuse diffère du dimensionnement conventionnel et où il est alors procédé à ladétermination des modules et de la résistance à la fatigue du mélange afin de s’assurerqu’il ne subira pas de fissuration par fatigue lorsqu’il est employé à l’épaisseur prévue.

• Détermination du coefficient d’écoulement de la fraction sableuse

La texture de surface et l’angularité des grains de la fraction sableuse ayant uneinfluence importante sur la résistance à l’orniérage par fluage et sur la maniabilité d’unmélange bitumineux, l’essai d’écoulement a été retenu pour caractériser globalementcette texture et cette angularité.

L’essai consiste à mesurer le coefficient d’écoulement d’un sable c’est-à-dire, le tempsd’écoulement, exprimé en secondes, d’une masse donnée de sable à travers l’orificecalibré d’un entonnoir. Le schéma de l’appareil est donné sur la figure 18 extraite de lanorme AFNOR-NFP 18564/1980 relative à cet essai.

p.86

Figure 16 - Influence de la proportion d’un sable de mauvaise angularité sur la profondeur d’ornière

(essai à l’orniéreur LCPC) [48]

Figure 16 - Influence of the proportion of sand of poorangularity on rut depth (LPC wheel tracking test) [48]

% D

'OR

NIE

RE

/ %R

UT

TIN

G

NOMBRE DE CYCLES / NUMBER OF CYCLES

Figure 17 - Influence de la nature du liant sur laprofondeur d’ornière (essai à l’orniéreur LPC) [48]

Figure 17 - Influence of the nature of the binder on rut depth (LPC wheel tracking test) ([48]

% D

'OR

NIE

RE

/ %R

UT

TIN

G

NOMBRE DE CYCLES / NUMBER OF CYCLES

The test is sensitive to variations in characteristics and nature of mix constituents.This is illustrated by figures 16 and 17 from ref.[48] and [49] for the angularity of thesand and the nature of the binder, respectively. It offers good repeatability andreproducibility.

This test is an integral part of the French methodology for bituminous mix design, andis the subject of specifications for each category of standardized bituminous mixes toensure their resistance to rutting. For example, rut depth in a bituminous concretewearing course mix withmedium-sized coarse aggregatemust not exceed 10 mm after30,000 loading cycles in a testperformed at 60 °C.

Other mechanical tests are usedin special circumstances, forinstance when the design of theroad structure containing thebituminous layer differs fromconventional design; in this case,the moduli and fatigue strengthof the mix are determined tomake sure that it will not crackwhen laid to the designthickness.

• Determining the outflow coefficient of the sand fraction

Since the surface texture andangularity of particles in the sandfraction have a considerableeffect on the resistance to flowrutting and the workability of abituminous mix, the outflow testhas been selected tocharacterize this texture andangularity in an overall way.

The test consists of measuringthe outflow coefficient of a sand -i.e. the time of flow, in seconds,of a given mass of sand throughthe calibrated outlet cone of afunnel. A scheme of theequipment is presented in f igure 18 (from AFNOR-NFPstandard 18564/1980 describingthis test).

DIMENSIONS (MM)

p.87

Figure 18 - Essai d’écoulement des sables

Figure 18 - Outflow test for sands

Funnel

Receiver

Shutter

La deuxième étape consiste à vérifier la composition de base fondée sur la méthodeanalytique, à partir d’un essai mécanique. L’essai qui a été retenu ici est l’essaiMarshall qui conduit à caractériser le mélange par cinq grandeurs qui sont : lepourcentage de vides dans le mélange (Vm en %), la stabilité (Pm en N), le fluage(Fm en mm), le quotient (Qm = Pm/Fm en N/mm) et le pourcentage de vides du granulatpierres + sables + fines occupé par le bitume dans l’état de compactage tel queréalisé dans l’éprouvette (gRm en %). L’observation et l’étude du comportement decouches bitumineuses posées sur routes réelles a conduit à définir pour troiscatégories de routes (autoroutes + routes primaires, routes secondaires et routessecondaires à faible trafic) des valeurs seuils pour ces différentes grandeurs ; cesvaleurs sont présentées dans le tableau III [50].

Si lors de la vérification expérimentale les critères ne sont pas satisfaits il importe derevoir la composition de base et de recommencer l’étude analytique.

En fonction de ce qui a été dit précédemment on pourrait objecter à cette méthode deformulation le recours à l’essai Marshall. Il importe à ce sujet de souligner que si laméthode de formulation repose, pour ce qui est de sa vérification expérimentale, surl’essai Marshall elle n’est cependant pas la méthode de formulation Marshall car d’unepart la composition de base est déterminée à partir de la méthode analytique etd’autre part les critères retenus pour les différentes grandeurs mesurées sont déduits d’études de mélanges qui se sont bien comportés en pratique.

p.90

Accroissement de AB (∆ AB) / Increase in RB (∆ RB)

VF,

vide

s du

fill

er (

%)

v

oids

in

fille

r (%

)

K=f/b (par volume /by volume)

Figure 19 - Accroissement de la température bille et anneau en fonction du rapport fines/bitume et des vides des fines [50]

Figure 19 - Increase in ring-and-ball temperature with the filler/bitumen ratio and voids in the filler [50]

The second step is to verify the basic composition obtained from the analyticmethod, by carrying out a mechanical test. The test opted for is the Marshall test,which characterizes the mix by five quantities: voids in the mix (Vm, in %), stability(Pm, in N), flow (Fm, in mm), a quotient (Qm = Pm/Fm, in N/mm), and voids inmineral aggregate (stone + sand + filler) filled with bitumen in the state ofcompaction achieved in the test specimen (aGm, in %). Observations and studies ofthe field performance of bituminous layers have led to threshold values being setfor these different quantities according to the category of road (motorway or primaryroad, secondary road, low-volume secondary road); these values are presented intable III [50].

If the criteria are not satisfied during the experimental verification, the basiccomposition should be revised and the analytic study started over again.

In view of earlier remarks, the use of the Marshall test could be raised as an objectionagainst this mix design method. It should be emphasized in this respect that althoughthe method relies on the Marshall test for its experimental verification, it is not theMarshall mix design method since the basic composition is determined from theanalytic method and the criteria set for the various quantities to be measured havebeen derived from studies on mixes which performed well in practice.The PRADO computer software referred to above has been developed to make the

p.91

TABLEAU II TABLE IIValeurs du rapport volumique K = f/b

en fonction des vides des fines vF et de ∆AB [50]

Values of the volume ratio K = f/b as a function of voids in the filler vF and ∆RB [50]

v F %

30.32.34.36.38.40.42.44.46.48.50.

10.

.53

.51

.48

.46

.44

.42

.40

.38

.36

.35

.33

12.

.61

.58

.55

.53

.50

.48

.46

.43

.41

.39

.37

14.

.68

.65

.62

.59

.56

.53

.50

.48

.45

.43

.41

16.

.75

.71

.67

.64

.61

.58

.55

.52

.49

.47

.44

18.

.81

.77

.73

.69

.65

.62

.59

.56

.53

.50

.47

20.

.86

.82

.78

.74

.70

.66

.62

.59

.56

.52

.49

Accroissement de AB (∆ AB) / Increase in RB (∆ RB)

Comme signalé ci-dessus le logiciel PRADO dont le schéma est présenté à lafigure 20 a été développé dans le but de faciliter la mise en pratique de la méthodeanalytique. Il comprend cinq programmes destinés à fournir des informations sousforme numérique et graphique :

- étude des caractéristiques du liant et de sa conformité vis-à-vis des spécifications,

- étude de la granularité d’un sable ou d’un mélange de sables,

- étude de la composition d’un mélange de granulats d’après une distributiongranulométrique pré-déterminée,

p.92

Pm (N)Fm (mm)Qm (N/mm)Vm (%)gRm (%)

Pm (N)Fm (mm)Qm (N/mm)Vm (%)gRm (%)

Pm (N)Fm (mm)Qm (N/mm)Vm (%)gRm (%)

Pm (N)Fm (mm)Qm (N/mm)Vm (%)gRm (%)

min.

8 0002

2 8003

70

6 5002,5

2 0002

75

8 0001,75

3 0003

60

-----

min.

7 5002

2 5002,5

70

6 0002,5

2 0002

75

7 5002

2 5002,5

60

7 5002

2 5002,5

70

min.

6 0002

2 0002

70

-----

5 0002

2 0002

65

6 0002

2 0002

70

max.

-4,5-5

83

-6-4

87

-4-7

80

-----

max.

-4,5-5

83

-6-4

90

-4-7

80

-4,5-583

max.

-4,5-5

85

-----

-4,5-7

85

-4,5-585

BétonasphaltiqueType I(Couched’usure)

BétonasphaltiqueType II à clouter(Couched'usure)

BétonasphaltiqueType III(Couche de liaison)

BétonasphaltiqueType IV(Couched'usure)

Type IAsphaltconcrete(wearingcourse)

Type IIAsphaltconcretefor chipping(wearingcourse)

Type IIIAsphaltmix(basecourse)

Type IVAsphaltconcrete(wearingcourse)

Pm (N)Fm (mm)Qm (N/mm)Vm (%)aGn (%)

Pm (N)Fm (mm)Qm (N/mm)Vm (%)aGn (%)

Pm (N)Fm (mm)Qm (N/mm)Vm (%)aGn (%)

Pm (N)Fm (mm)Qm (N/mm)Vm (%)aGn (%)

TABLEAU III TABLE IIICritères proposés pour la formulation des enrobés bitumineux

Suggested criteria for bituminous mix design

N.B.Ces pourcentages de vides ne sont pas àconfondre avec des valeurs qui serontrecommandées sur les carottes prélevées de laroute. Il faut en effet tenir compte ici desdifférences de maniabilité et d’aptitude aucompactage des divers mélanges.

N.B.These percentages of voids are distinctfrom the values that would berecommended for core samples from theroad, since the workabil i ty andcompactibility of the various mixes haveto be considered in that case.

Autoroute +route primaire

Motorway +primary road

ParamètreMarshall

Type de chaussée / Category of road

Routesecondaire

Secondaryroad

Routesecondaire àtrafic faible

Low-volumesecondary

road

Typed'enrobé

Marshallparameter

Type of mix

analytic method easier to use. A block diagram of this software is presented infigure 20. It consists of five programmes which are to put out information in numericaland graphic form:

- investigating the characteristics of the binder and its compliance with specifications,

- investigating the grading of a sand or a mix of sands,

- composing a mix of aggregates in accordance with a target grading curve,

p.93

Figure 20 - Schéma du logiciel PRADO

Figure 20 - Block diagram of the PRADO software

SPL, SPS, SPM = spécifications pour liants, sables, mélanges,

SPB, SPS, SPM = specifications for binders, sands, mixes,

BIN = caractéristiques du liant retenu,characteristics of the selected binder,

SND = caractéristiques du sable,characteristics of sands,

STO = caractéristiques des pierres,characteristics of stones,

FIL = caractéristiques des fines,characteristics of fillers,

GRA = caractéristiques granulométriquesgrading characteristics

• Dosage des mélanges à granularité discontinue

Les mélanges à granularité discontinue sont presque complètement dépourvus descalibres 0,5 - 8 mm. La teneur en gros granulats est très élevée et l’espace laisséentre ces gros grains est rempli de bitume, de petits granulats et d’un mastic composéd’un mélange de fractions intermédiaires inférieures à 0,5 mm. La quantité importantede petits granulats sert à améliorer la maniabilité du mélange grossier. Les valeurs deprojet pour les rapports volumétriques des mélanges bitumineux à granularitédiscontinue sont présentées au tableau V.

• Dosage relatif à la courbe granulométrique de type Stone Mastic Asphalt “SMA”

Le mélange du type SMA diffère du béton asphaltique par le fait que la distributiongranulométrique du SMA suit la forme d’une “courbe de squelette pierreux” dans le butde répartir les charges sur les gros grains. Le risque de cisaillement latéral estminimisé au moyen de fines et de fractions intermédiaires, ainsi que de liant stabilisé.

La granularité du SMA repose sur 5 fractions (0-2, 2-5, 5-8, 8-12 et 12-16 mm) et des finesd'apport. Les fractions doivent être très bien tamisées. Les fractions mentionnées ci-dessus sont mélangées dans les proportions 1:1:1:3:4, lorsque l’objectif est d’atteindre debonnes performances en matière de résistance à la déformation et dans les proportions1:1:1:1:2:4, lorsque l’objectif est d’atteindre une bonne résistance à l’usure. Le pourcentagede vides dans les granulats minéraux du mélange doit se situer entre 17 et 19 %. S’il estsupérieur, on ajoute une fraction intermédiaire. En revanche, si la teneur en vides est tropfaible, le dosage des granulats fins et de la fraction intermédiaire sera réduit.

• Teneur en liant

La teneur en liant est exprimée en volume. Le résultat est exprimé comme unpourcentage en volume. Cette valeur peut être convertie en pourcentage de liant enmasse (BC) à l’aide de la formule suivante :

BC = 100 .Vb x ρb

Mk + Vb x ρb

où : Vb = la teneur en liant (%) en volumeρ

b = la masse volumique du bitume Mk = la masse des granulats ( = ρ k x (100 - Vb))

p.96

Type de mélange / Type of mixValeur volumétrique Volumetric valueBA 8 - 12 BA 16 - 20 BA 25

AC 8 - 12 AC 16 - 20 AC 25

Vides remplis de liant (%) 80 - 90 80 - 90 80 - 90 Voids filled with binder (%)

Vides dans les granulats 15 - 17 14 - 16 13 - 15 Voids in mineralminéraux (%) aggregate (%)

Teneur en vides (%) 1 - 3 1 -3 1 - 3 Voids content (%)

TABLEAU IV TABLE IVValeurs de projet pour les rapports volumétriques du béton asphaltique

Design values for the volumetric ratios of asphalt concrete mixes

• Proportioning gap-graded mixes

The aggregate of gap-graded mixes almost completely lacks 0.5 - 8 mm particle sizes.The content of sizes at the coarse end of the scale is very high and the space left betweenthese large particles is filled with bitumen, fine aggregate and a mastic composed of themixture of intermediate fractions smaller than 0.5 mm. The copious amount of fineaggregate is used with a view to improving the workability of the coarse mix. Designvalues for the volumetric ratios of gap-graded bituminous mixes are presented in table V.

• Proportioning the stone mastic-type of grading curve (SMA)

An SMA-type mix differs from asphaltic concrete in that the particle size distribution ofSMA is graded in the form of a “stony skeleton curve” with a view to distributing theloads to the coarse particles in the mix. The possibility of lateral shear (failure) isminimized by means of fine and intermediate fractions, together with a stabilized binder.

SMA aggregate is graded from five fractions (0-2, 2-5, 5-8, 8-12, and 12-16 mm) and afiller. The fractions should be well sieved. They are mixed together in 1:1:1:1:3:4proportions to achieve good deformation performance, or 1:1:1:1:2:4 proportions toachieve good resistance to wear. The VMA of the mix should be 17-19%. If it ishigher, an intermediate fraction is added. If, on the other hand, voids content is toolow, the proportion of fine aggregate and intermediate fraction is reduced.

• Binder content

Binder content is expressed by volume. This can be converted into a percentagebinder content by mass (BC) using the formula:

BC = 100 .Vb x ρb

Mk + Vb x ρb

where: Vb = percentage binder content by volume,ρ

b = density of the bitumen, Mk = mass of the aggregate ( = ρ k x (100 - Vb)).

p.97

Type de mélange / Type of mixValeur volumétrique Volumetric valueBA Dis 16 BA Dis 20

GAC 16 GAC 20

Vides remplis de liant (%) 80 - 90 80 - 90 Voids filled with binder (%)

Vides dans les granulats 15 - 17 14 - 16 Voids in mineralminéraux (%) aggregate (%)

Teneur en vides (%) 1 - 3 1 -3 Voids content (%)

TABLEAU V TABLE VValeurs de projet pour les rapports volumétriques

des mélanges bitumineux à granularité discontinue

Design values for the volumetric ratios of gap-graded bituminous mixes

La figure 21 extraite de la réf. [58] et établie sur base des données de la réf. [76]donne le résultat de la comparaison entre la profondeur de l’ornière mesurée dans lecas d’essais à l’orniéreur. Pour les 13 cas représentés l’écart maximum à partir de ladroite de régression est de plus ou moins 60 %.

VII.3.2 Modèle C.R.R. [78]

Dans le modèle C.R.R. le trafic attendu pendant la durée de service prévue pour lachaussée est transformé en un trafic équivalent au point de vue de son effetdestructeur vis-à-vis de l’orniérage (N roues standard, rayon de l’empreinte pneu-revêtement = 10 cm, pression de contact = 0,6 MPa).

En ce qui concerne l’influence des états saisonniers (températures), seule la périodela plus chaude de l’année est prise en considération et ce pour simplifier autant quepossible les calculs dans les applications pratiques.

La déformation réversible (∆h) de chaque couche constituante et du sol est calculéepour la charge standard. Le calcul peut se faire à partir de la méthode approximativede Odemark ou de la théorie des systèmes multicouches élastiques (utilisation duprogramme MTC).

p.116

Profondeur d'ornière mesurée, d (mm)Measured rut depth, d (mm)

Pro

fond

eur

d'or

nièr

e ca

lcul

ée, d

* (m

m)

Cal

cula

ted

rut d

epth

, d*

(mm

)

Figure 21 - Comparaison entre les profondeurs d’ornière mesuréeset les profondeurs calculées [58, 76]

Figure 21 - Comparison between calculated and measured rut depths [58, 76]

Figure 21 (from ref. [58]) based on data from ref. [76] represents the result of acomparison between rut depths calculated from creep tests and rut depths measuredin wheel tracking tests. For the thirteen cases plotted in this graph the maximumdeviation from the regression line is about 60%.

VII.3.2 The BRRC model [78]

In the Belgian Road Research Centre’s model the traffic expected over the design lifeof the pavement is converted to a traffic with an equivalent damaging effect in terms ofrutting (N standard wheels, radius of tyre-road contact area = 10 cm, contact pressure = 0.6 MPa).

As for the influence of seasonal conditions (temperatures), only the hottest period ofthe year is taken into consideration, to make calculations as simple as possible forpractical applications.

Reversible deformation (∆h) in each pavement layer and the subgrade soil iscalculated for the standard load, using Odemark’s approximation method or elasticmultilayer theory (MTC programme).

Permanent deformation in (∆d) in each pavement layer and the subgrade soil is thencalculated using the formula:

∆d = ∆h . f (N )

where: N = number of equivalent loads having the same damaging effect as actual traffic.

Finally, the permanent deformation of the entire road structure is calculated from theformula:

d = Σ ∆hi . fi (N )

The characteristics adopted for materials meeting standard specifications arepresented in table VII. For special materials these characteristics need to bedetermined experimentally from repeated triaxial loading tests, and conducted with aconstant confining pressure implementing a vertical stress which is a sinusoidalfunction of time.

The model was applied to sixteen roads in service, where rut depths were measuredwith a 1.2 m straightedge (AASHO model) at four cross sections every 100 m.Figure 22 , from ref. [78], illustrates the correlation between measured and calculatedrut depths: the correlation coefficient, r, is 0.64 for 55 couples of values, and thestandard deviation is 1.1 m.

p.117

La déformation permanente (∆d) de chaque couche constituante et du sol sont alorscalculées à partir de la formule :

∆d = ∆h . f (N )

où : N = le nombre de charges équivalentes ayant le même effet destructeur que le trafic réel,

La déformation permanente de l’ensemble de la structure routière est ensuite calculéeà partir de la formule :

d = Σ ∆hi . fi (N )

Dans le cas des matériaux répondant aux spécifications des cahiers des charges, lescaractéristiques présentées dans le tableau VII sont retenues. Dans le cas dematériaux spéciaux, ces caractéristiques doivent être déterminées expérimentalementà partir de l’essai triaxial à chargement répété mettant en œuvre une contrainteverticale, fonction sinusoïdale du temps et une contrainte latérale maintenue constante.

Le modèle a été appliqué dans le cas de 16 routes en service sur lesquelles lesprofondeurs d’ornière ont été mesurées à l’aide d’une règle de 1,2 m (modèleAASHO) à raison de 4 profils transversaux tous les 100 m. La figure 22 extraite de laréf. [78] illustre la corrélation obtenue entre les profondeurs d’ornière mesurées et lesprofondeurs d’ornière calculées ; elle est caractérisée par une coefficient decorrélation r = 0,64 pour 55 couples de valeurs et un écart type de 1,1 mm.

p.118

Matériaux

Couches bitumineuses

Empierrement

Sous-fondation granulaire

Sol

Materials

Bituminous layers

Crushed stonebase

Granular sub-base

Subgrade soil

f(N)

4,49 N0,25

2 N0,3 si/if h < 12 cm2 N0,2 si/if h > 12 cm

2 N0,3

1 + 0,7 log N

Modules (MPa)Moduli (MPa)

5000

500

200

5, 10 , 20, 40(paramètre)(parameter)

TABLEAU VII TABLE VIIPropriétés mécaniques moyennes des matériaux

Average mechanical properties of materials (BRRC model)

p.119

Matériaux

Enrobé bitumineux

Sable bitume

Matériaux non liés(selon le type)

Sol

Materials

Bituminous mix

Bitumen-treated sand

Unbound materials(depending on type)

Subgrade soil

f(N)

4,49 N0,23

4,49 N0,25

2 N0,25

2 N0,30

1,3 + 0,7 logN1,3 + 0,6 logN

(si sols non cohésifs à module ≥ 60 MPa)(for noncohesive soils

with a modulus ≥ 60 MPa)

TABLEAU VIII TABLE VIIIPropriétés mécaniques moyennes des matériaux

Average mechanical properties of materials(Bratislava University model)

Figure 22 - Corrélation entre les profondeurs d’ornière mesurées (d*)et les profondeurs calculées (d) [78]

Figure 22 - Correlation between measured (d*)and calculated (d) rut depths [78]

Profondeur d'ornière calculée, d (mm)Calculated rut depth, d (mm)

Pro

fond

eur

d'or

nièr

e ob

serv

ée, d

* (m

m)

Mea

sure

d ru

t dep

th, d

* (m

m)

p.120

VII.3.3 Modèle de l’Université de Bratislava [79,80]

Le modèle de l’Université de Bratislava pour le calcul de l’orniérage des chausséesbitumineuses est fondé sur la théorie des systèmes multicouches élastiques etprocède des mêmes principes que le modèle C.R.R. exposé ci-avant.

Les différences résident dans les caractéristiques des matériaux comme indiqué dansle tableau VIII (à comparer aux données du tableau VII).

Afin de tenir compte du refoulement du matériau vers les bords de l’ornière laprofondeur calculée est à multiplier par un facteur dont la valeur est comprise entre1,2 et 1,4.

Des mesures ont été effectuées sur des sections de routes à différentes périodes etcomparées aux grandeurs calculées.

Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau IX, ci-contre, [82]. Ce tableau oùle trafic supporté est exprimé en nombre d’essieux standard de 10 tonnes mentionneaussi les résultats de calculs obtenus par l’application du modèle SHELL.

TABLEAU IX

Comparaison entre les profondeurs d'ornières mesurées et calculées ➜

p.121

Sections de

routes

Date

Nombre de chargesstandard

Profondeurd'ornière

mesurée (mm)

Prof. calc.et % de

la val. mesurée

Prof. calc. par la méthode Shell

et % de la val.mesurée

Road sections

Date

Number of standard

axles

Measuredrut

depth (mm)

Calc. depth and % of

meas. value

Depth calc.with the Shell

method and% ofmeas. value

Section D - 1 Section D - 61

1.meas./1 mes.06.87

3.meas./3 mes.04.88

7.meas./7 mes.05.89

1.meas./1 mes.07.87

8.meas./8 mes.10.89

254 259

11,95

9,7

81,2

10,9

91,2

387 867

12,76

10,7

83,9

12,4

97,2

563 053

14,37

11,5

80

12,9

89,8

321 908

10,36

11,5

111,0

12,7

122,6

500 395

11,80

12,6

106,8

13,9

117,8

VII.3.3 The Bratislava University model [79,80]

The model used by the University of Bratislava to calculate rutting in bituminouspavements is based on elastic multilayer theory and follows the same principles as theBRRC method explained above.

The differences lie in the characteristics of materials, which are presented in table VIII(to be compared with the data in table VII).

To take account of material being forced away to the edges of the rut, calculated rutdepth must be multiplied by a factor ranging between 1.2 and 1.4.

Measurements were carried out on road sections at different times and compared withcalculations.

The results are presented in Table IX [82]. This table, in which the traffic carried isexpressed in numbers of 10-t standard axles, also contains the results of calculationswith the SHELL model.

TABLE IX

Comparison between measured and calculated rut depths

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