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RRecherche et DDéveloppementCCoopératif (RDCRDC)
sur lesmatériaux bitumineux
Perraton, Carter
D. Perraton (ÉTS) et A. Carter (ÉTS)Mars 2009
««Intégration des propriétés Intégration des propriétés thermomécaniques dans le processus de thermomécaniques dans le processus de
conception des chaussées souplesconception des chaussées souples»»
But de la présentation
• Cette présentation vise à mettre en perspective les projets de type «RDC»
• Introduire le LUCREB
Perraton, Carter
• Introduire le LUCREB
• Bilan des activités réalisées au cours de la 1ère
année du RDC
Un projet de R&D Coopératif
• Les projets de R&D Coopératif,sont parrainés par :
le CConseil de RRecherches en SSciencesNNaturelles et en GGénie du Canada : le CRSNG
pour appuyer l’avancement des connaissances
Perraton, Carter
pour appuyer l’avancement des connaissances dans différents domaines
• Les acteurs:– Partenaires Industriels– Professeurs– Le CRSNG
Un projet de R&D Coopératif…RDC
• Le CRSNG contribue financièrement aux projets de recherche:– Il doubledouble la mise ($) des partenaires– Pour notre projet en cours :
• Budget annuel : ~ 190 000$
Projet RDCProjet RDCRecherche et Développement CoopératifCoopératif
Un projet structurant pour l’industrieUn projet structurant pour l’industrieréalisable à partir de ressources et réalisable à partir de ressources et
Perraton, Carter
• Budget annuel : ~ 190 000$ la moitié en $ provient du CRSNG
• Le budget vise à:– Financer des bourses d’étudiants (2ème et 3ème cycles)– Payer une partie du salaire
• Technicien• Professionnel de recherche
– Achat d’équipements spécialisés
réalisable à partir de ressources et réalisable à partir de ressources et d’expertises qui lui sont complémentaires d’expertises qui lui sont complémentaires
à partir d’une à partir d’une ÉTROITEÉTROITE COLLABORATIONCOLLABORATION
LUCREB :
•• LLaboratoire UUniversitaire pour la recherche dans le domaine des CChaussées, RRoutes et EEnrobés BB itumineux
• Objectif à long terme:
Perraton, Carter
• Objectif à long terme:– Mettre sur pied une équipe permanente à l’ÉTS
pour une recherche appliquée dans le domaine des Matériaux Bitumineux (MB)
… répondre aux besoinsaux besoins de développement dans les chaussées souples au Québec
– Court terme : Projet de RDCRDC avec l’industrie…financement du CRSNG pour 4 ans (2009 : c’est la 2ème année de 4!)
– Long terme : Mise sur pied d’une ChaireChaire de
LUCREBComment?
Perraton, Carter
– Long terme : Mise sur pied d’une ChaireChaire de recherchefinancement du CRSNG pour plus de 10 ans, et …
de l’industrie.de l’industrie.– En tout état de cause, l’INDUSTRIEl’INDUSTRIE est
toujours au cœur du processus
• Titre du projet de RDC:Intégration des propriétés thermomécaniques dans Intégration des propriétés thermomécaniques dans
le processus de conceptionle processus de conceptiondes chaussées souplesdes chaussées souples
RDC – ÉTSLe projet : C’est quoi?
Perraton, Carter
• Donc, le projet de RDC en bref:•• Caractériser en laboratoireCaractériser en laboratoire les propriétés
thermomécaniques des matériaux bitumineux les plus couramment utilisés au Québec
• Mettre en place une approche de conceptionconception de type mécanistemécaniste--empirique (…volet fatigue)empirique (…volet fatigue)
• Réaliser une planche d’essaiplanche d’essai pour se raccrocher à la réalité de la route
RDC – ÉTS :Le projet : C’est qui?
� Responsable (ÉTS)Daniel Perraton
� Associé (ÉTS)Alan Carter
� Par ordre alphabétique� Bitume Québec
2 professeursde l’ÉTS
Perraton, Carter
� Bitume Québec� DJL inc.� Inspec-Sol inc.� Les Industries McAsphalt Limitées� SINTRA inc.� Talon Sebeq inc.
� Collaborateurs � G. Doré (U. Laval)� H. Di Benedetto (ENTPE, Lyon, France)� B. Buttler (Illinois State University)
6 partenairesindustriels
3 Collaborateursexternes
• Favoriser l’intégration des technologiesrécentes dans les chaussées souples
• Arrimer les concepts d’une conception de typemécaniste-empirique pour chaussées souples
RDC – ÉTS Le projet : Pourquoi?
Perraton, Carter
• Appuyer les concepteurs dans la démarche visant une analyse fondée sur le principe de la notion de coût-performance� Conception suivant une approche analytique� Outils prévisionnels de performance
• Appuyer l’industrie dans le développement et l’application de technologies innovantes
RDC – ÉTS : Pourquoi?
• Consolider un Partenariat Université – Industrie…traiter des problèmes appliqués!
Perraton, Carter
• Tirer profit des ressources d’un PHQ etd’équipements de technologies de pointe
• Favoriser le transfert technologique
RDC – ÉTS :Problématique
• Rigidité de la méthode actuelle de conception des chaussées souples pour permettre l’intégration de Technologies Innovantes– Actuellement : Méthode EMPIRIQUE
…ça fait très bien l’affaire SI on fait toujours la même chose!– Transfert technologique de l’international : ardu!
Une alternative s’inscrit dans une méthode de conception fondée sur l’analyse des forces en jeuforces en jeu!
Perraton, Carter
– Transfert technologique de l’international : ardu!– Difficile de cerner les améliorations conséquentes– Ne permet pas de prendre en compte la spécificité des
produits d’entreprises
• Comment se présente LE RENDEMENT de nos structures dans le contexte nord américain?– Climat nordique
conception fondée sur l’analyse des forces en jeuforces en jeu!…une approche Analytique
…on s’intéresse à la MÉCANIQUEMÉCANIQUE de la chaussée…une approche mécaniste!
LA PERFORMANCEPERFORMANCELA PERFORMANCEPERFORMANCE:Fissuration (thermique, fatigue) � Orniérage � IRI
RDC – ÉTS :Problématique
LA PERFORMANCE D’UNE CHAUSSÉE!LA PERFORMANCE D’UNE CHAUSSÉE!� La «notion» de PERFORMANCE!
… une «notion» qui, à la base, est très bien… une «notion» qui est tout à fait louable!
Perraton, Carter
�� Par contre:Par contre:� c’est une chose de fixer les limitesfixer les limites de performance
… s’en est une autre d’en prédire l’évolutionprédire l’évolution!
� Comment peut-on la prédire cette " performance"?� Quels sont les outils dont on dispose actuellement?
RDC – ÉTS :Problématique
LA PERFORMANCE D’UNE CHAUSSÉE!LA PERFORMANCE D’UNE CHAUSSÉE!
� On mise sur des modèles d’endommagement empiriques,empiriques, établis à l’échelle internationale
… ponctués d’une certaine incertitudeincertitude
Perraton, Carter
… ponctués d’une certaine incertitudeincertitude… fortement tributaire de l’environnement
� DONC, des modèles à «caractère» régional, … il faut donc les «calibrer»!…on a beaucoup de travail à faire pour en avoir la maîtrise pour un environnement spécifique comme celui du Québec
RDC – ÉTS :Problématique
LA PERFORMANCE D’UNE CHAUSSÉE!LA PERFORMANCE D’UNE CHAUSSÉE!
� La solution passe, en partie, par une meilleure compréhension du comportement de la chaussée et l’utilisation d’une méthode mécaniste de conception.
Perraton, Carter
l’utilisation d’une méthode mécaniste de conception.
�� Mise en opération d’une nouvelle presse pour mesurer les Mise en opération d’une nouvelle presse pour mesurer les propriétés thermomécaniquespropriétés thermomécaniques� 1 presse MTS� I chambre thermo régulée
RDC - ÉTSLe projet : Bilan de la 1 ère année
Perraton, Carter
La 1ère unitéen opération depuis 2001
La 2ème unitéen opération depuis 2009
� Déroulement en trois phases
RDC - ÉTSDéroulement
Perraton, Carter
� Phase I : Caractérisation en laboratoire de matériaux bitumineux utilisés au Québec … base de données
RDC - ÉTSDéroulement – Phase I
Caractérisation complèteCaractérisation complète• Fatigue
• Basse Température
Matériaux ciblésMatériaux ciblés• Matériaux bitumineux descouches d’une chaussée souple
• Technologies innovantes
Perraton, Carter
• Basse Température• TSRST et T/C
• Orniérage
• Rigidité• Mr et E*
•Autres?
• Technologies innovantes• MR-traité• Matériaux spécifiques
Ex.: GB20 vs MR5-traitéEB-14ESG-14ESG-10 vs SMA-10
vs MR7-traité
� Phase I : Caractérisation en laboratoire de matériaux bitumineux utilisés au Québec … base de données
RDC - ÉTSDéroulement – Phase I
�� Pour chacun des matériaux caractérisés en Pour chacun des matériaux caractérisés en laboratoire, une fiche technique de données laboratoire, une fiche technique de données ((Technical Data SheetTechnical Data Sheet) est produite.) est produite.
Perraton, Carter
((Technical Data SheetTechnical Data Sheet) est produite.) est produite.
�� La fiche TDS vise à consigner l’ensemble des La fiche TDS vise à consigner l’ensemble des informations requis pour élaborer une informations requis pour élaborer une conception suivant une approche mécanisteconception suivant une approche mécaniste
RDC - ÉTSDéroulement – Phase I
Aspects de formulation
Perraton, Carter
Caractérisationen LABOPropriétés
Thermomécaniques- Orniérage- E*- TSRST- Fatigue
RDC - ÉTSDéroulement – Phase I
Essais à l’orniéreur MLPC
Perraton, Carter
RDC - ÉTSDéroulement – Phase I
Rhéologie en petites déformations
E*E*
Perraton, Carter
RDC - ÉTSDéroulement – Phase I
Résistance à basse température
TSRST
Perraton, Carter
RDC - ÉTSDéroulement – Phase I
Rhéologie en petites déformations
FatigueFatigue
Essais cycliques:10°C – 10 Hz
Perraton, Carter
� Phase II : Implantation des concepts liés à une méthode mécaniste-empirique de conception de chaussées
RDC - ÉTSDéroulement – Phase II
� Travail en coopération : formation de sous-groupes de travail
� Conception de la planche d’essai suivant une méthode
ThèmesThèmes SousSous--groupesgroupes PériodePériode
� Bilan des méthodes mécanistiques
� Détail INFRA
� Perraton - Carter (ÉTS)� M. Vaillancourt (InspecSol)� Y. Paquin (DJL)� G. Doré (U. Laval)
H09 à H10
� Sollicitation(trafic – climat)
� D. Perraton - Carter (ÉTS)� M. Vaillancourt (InspecSol) H09 à H10
Perraton, Carter
� Conception de la planche d’essai suivant une méthode mécaniste : Hiver 2010!(trafic – climat)
� M. Vaillancourt (InspecSol)� B. Tessier (Sintra)
H09 à H10
� Étude des modèles de prédiction pour la fatigue
� Perraton - Lamothe (ÉTS)� B. Tessier (Sintra)� Y. Paquin (DJL)
H09 à H10
� Protocole calageLABO-Chantier
� Perraton - Carter - Ortéga (ÉTS)� M. Vaillancourt (InspecSol) H09 à H10
� Planche d’essaisConceptionet Instrumentation
� Perraton - Carter - Ortéga (ÉTS)� C. Blais (TalonSebeq)� M. Vaillancourt (InspecSol)
H09 à H10
� Phase III : Réalisation d’une planche d’essai à plusieurssections
RDC - ÉTS :Déroulement – Phase III
Analyse de performance dans un perspective globale!
Étude sur le matériau en
Bilan dans le contextede la structure de la chaussée
Perraton, Carter
matériau en laboratoire
…définir leursCaractéristiques
Intrinsèques• Fatigue• E* et Mr• TSRST
Intégrer cespropriétés dansla conception
Suivie In Situ1) Mise en œuvre2) Variation
de la déflexion 3) Durabilité…fatigue!
de la structure de la chaussée
…Exploiter les outils de dimensionnement des chaussées!
RDC - ÉTS :Déroulement – Phase III
Élévation couche de roulement existante à réhabiliterÉlévation couche granulaire150 mm MB
Vue en coupe – Profil initial
Vue en coupe – Déblai
Vue en coupe – mise en œuvre sections expérimentales
Section à excaver~300mm
~400 à 600 m
Perraton, Carter
Vue en coupe – Mise en œuvre couches de liaison et de roulement
RDC - ÉTS :Déroulement – Phase III
• Réalisation de la planche d’essai dans le cadre d’un projet de réhabilitation avec matériaux recyclés traités
• Mise en œuvre de 5 sections distinctes• Tronçons de 75 à 125 m
Perraton, Carter
• Différentes configurations de section de chaussée souple
• Homogénéisation de la fondation pour l’ensemble des sections
75 – 125 m
à déterminerGB-20À déterminer MR5 – 3%E
MG - vierge
RDC - ÉTS :Déroulement – Phase III
• Chacune des sections sera instrumentée• Après la mise en œuvre des bases bitumineuses:
• Mise en œuvre d’une couche de liaison• Mise en œuvre d’une couche de roulement
Élévation couche de roulement – ex: ESG-10
Perraton, Carter
à déterminerGB-20À déterminer MR5 – 3%E
Élévation de la couche de liaison – ex: ESG-14 Élévation couche de roulement – ex: ESG-10
• Date de réalisation : printemps 2010
• La pierre angulaire demeure la transposition
RDC - ÉTSPhase III : aspect critique!
Perraton, Carter
LABO CHANTIER
MERCI
Perraton, Carter
MERCI DE VOTRE ATTENTION
On transposeles charges
…NÉCAS
t
T (ºC)Climat Trafic
Une structure de chausséeLes Forces en jeu! Caractéristiques des matériauxTéq
On transpose l’effet du Climat…T moy
On considère La vitesse
fr
NÉCASLa MÉCANIQUE simplifiée
…d’une chaussée souple
Perraton, Carter
Infra
εεεεt,cal
H
ModèleMulticoucleBirmisterεεεεt,cal
Analyse - Structure!Une structure de chausséeLes Forces en jeu!
On détermine les caractéristiquesdes matériaux
…ESSAIS de LABO!
Les matériauxgranulaires
Mr
Caractéristiques des matériaux
E*Fatigue
Les matériauxBitumineuxE* … ννννApproche
Analytique…mécaniste
Solution
Hfinal
log εεεεt,adm
NDroite deFatigue NÉCAS
H
• Les matériaux bitumineux sont thermo-sensibles� Si la température change (…thermo )
� les propriétés du matériaux
DéfinitionsPropriétés thermomécaniques des matériaux bitumineux
Perraton, Carter
� les propriétés du matériaux changent (…mécanique )
� À hautes températures � plus déformable
…sa rigidité �
• Les matériaux bitumineux sous charge présentent des déformations permanentes� Déformations irréversibles après chargement
� Empreintes de surface
DéfinitionsPropriétés thermomécaniques des matériaux bitumineux
Perraton, Carter
� Empreintes de surface…le matériau reste marqué!
� L’empreinte est plus importante :� Aux hautes températures (thermo sensible !)� Avec des temps de chargement plus long
� matériau doué de viscosité !…comportement visco…comportement visco--élastiqueélastiquePhénomène d’orniérage
• Dans le domaine des chaussées souples, on associe:� La rigidité du matériau
� à la notion de Module complexe (E*) et de module résilient (Mr)
DéfinitionsPropriétés thermomécaniques des matériaux bitumineux
Perraton, Carter
(E*) et de module résilient (Mr)…sert à définir l’état de σ – ε dans la structure
� La déformation irréversible:� à la notion de déformation permanente
…présence d’ornières!� La résistance aux basses températures
� à la notion de retrait thermique empêché (TSRST)…fissuration transversale
Fissuration transversale… essai de retrait thermique empêché (TSRST)
Plan de la présentation
• Présenter – Le but de la présentation– Le LUCREB
• Le projet de Recherche et Développement
Perraton, Carter
• Le projet de Recherche et Développement Coopératif (RDC - ÉTS)
• Bilan approche mécaniste au Québec