Au 2e rang des écoles de génie au Canada - Enrobés à … · 2016-10-31 · High-Performance...

Enrobés à performances élevés (HPAC) pour régions froides:

GB5®

François Olard EIFFAGE Infrastructures, Directeur recherche et innovation

Montreal, 30 septembre, 2016

2 GB5® High-Performance Asphalts ─ Montreal, September 30, 2016

Plan

Généralités sur les EME2

Principe théorique de l’empilement granulaire

Utilisation de la PCGpour l’optimisation granulaire

Essais sur le GB5® & résultats

Principaux accomplissements en Europe (Climat alpin), Afrique

du sud…


Norme franç aiseNF P 98140 (1992, Updated 1999)

Généralités sur la formulation des EME2

Specs des EME2:

E* > 14000 MPa (15°C & 10 Hz) Sur éprouvettes trapézoidales

ε6 > 130 10-6 μs (10°C & 25 Hz) Sur éprouvettes trapézoidales (2PBT)

Cacatéristiques typiques:

– Teneur en bitume ≈ 6% par masse des granulats – Bitume dur: Pen 10-30 – Teneur en vides basse (<6%)


Kc est un facteur de calibration déterminé par la modélisation in situ du comportement de sections d’essais (Fonction de transfert et analyse du risque)

Dimensionnement avec EME2

≈ in-situ brittle behavior

≈ 30% bonus vs EME

Accelerated Load Testing (ALT) facility at IFSTTAR Nantes (France)


Une bonne compaction est une priorité pour avoir une bonne

durabilité: - si la densité est > 97% : il y a un risque d’orniérage

- si la densité est < 94%, les performances ne rencontre pas les

specs (E*15°C et ε6)

Pose des EME2

Si la température de fabrication est >190°C, ça cause un

vieillissement accéléré


Les EME2: “oui, ça peut orniérer!”

Pas de risque d’orniérage @ 1 Hz [orniéreur EN 12697-22]

Risque d’orniérage avec autobus sur pneus guidés par un rail central Risque d’orniérage sous charge statique élevée dans les ports


Expérience Européenne de 2 mondes parallèles

Le monde des enrobés • 1980: développement des HiMA pour réduire l’épaisseur des couches de

base

→ utilisation de bitume dur (Pen@25°C<30dmm) → augmentation de la teneur en bitume (up to 6%) → les EME2 sont les enrobés de référence pour les chaussées à longue

durée de vie

• 1970: développement des bitumes polymères → pour des raisons économiques, leur utilisation est limité à la couche de

roulement. Le monde du béton

• Théories de Caquot (1937), Faury (1944), Dreux (1970), Baron (1982) sur l’empilement granulaire et des bétons avec porosité minimales

→ ‘naissance’ des béton haute performance (HPC)

• Il est possible de transférer cette approche aux enrobés?


Qu’est-ce qui influence les résultats?

Granulométrie - continue, discontinue

Forme - Plate et allongée, cubique, arrondi

Texture de surface (micro-texture) - lisse, rugeuse

Type et amplitude de l’effort de compaction - Pression statique, impact, cisaillement

Épaisseur des couches

Empilement granulaire selonLees [AAPT 1970]


Le modèle "idéal" le plus répandus pour une granulométrie continue est basé sur cette équation empirique

P = 100(d/D)b

où

P (%) : % de granulat, massique, sur un tamis donné

d (mm) : dimension des ouvertures du tamis choisi

D (mm) : dimension maximale des granulats

b: coéfficient. Nijboer (1948) & Yoder (1959) ont trouvé que la densité maximale de n’importe mélange à granulométrie continue compacté est obtenue avec un b égal à f0.45 or 0.5

Empilement granulaire



Passing (%) 20mm 10mm

(10/20)0.45 1

P = 100(d/D)0.45 est la ligne de référence au USA

(Sieve Size/D)0.45


Effet de l’interaction entre les particules sur les vides [Caquot 1937]

Additional void interstices due to the wall effect

Loss of contact between coarse particles

Solid D

Solid d

void

“ Effet de parois” “ Effet de desserrement” minimalisation des contacts entre

les gros granulats



Changement de la porosité granulaire vs la dimensione moyenne des granulats [Furnas 1928, Powers 1968, Olard & Perraton

2010]

dFine too close to dCoarse

⇒ Interparticle interaction

dFine << dCoarse

⇒ Next to no interparticle interaction



Proposition d’une méthode pour l’optimisation de l’empilement

Utilisation de la PCG (20 girations)


Stage 1


0/4mm fraction is ‘dominant’

10/14mm fraction is ‘dominant’


Stage 1

Stage 2



Stage 2Stage 3




- Comme la technique des poupées russes, l’optimisation proposés du combiné quaternaire (10/14 - 0/4 - 0/2 - filler) a été obtenu en suivant les 3 étapes du processus itératif:

+ Étape 1: optimisation du mélange 10/14 – 0/4

+ Étape 2: quantité optimal de 0/2 dans le mélange de la première étape

+ Étape 3: Teneur en filler optimale dans le mélange de l’étape 2

- Généralisation d’une procédure à (n-1)-étapes lorsque n fractions granulaires sont consiuderées


‘Courbe granulo ‘optimale’: 10/14-0/4-0/2-filler

0

20

40

60

80

100

100*(d/D)^0.45

% P

assi

ngreference GB2 0/14

HPA 0/14 (4/10 gap-graded)

HPA 0/14 (4/10 gap-graded) + 10%RAP

Maximum density line (for continuous gradations)


Évaluation des enrobés en labo

- Aptitude au compactage [NF EN 12697-31]: PCG

- Tenue à l’eau [NF EN 12697-12]: Duriez - Résistance à l’orniérage à 60°C [NF EN 12697-22]: orniéreur - Module complexe à 15°C-10Hz [NF EN 12697-26]

Essai de fatigue à 10°C-25Hz [NF EN 12697-24]

Matériaux étudiés

EME2 0/14mm standard • Squelette granulaire à granulo continue

• 5.5% de bitume dur 20/30

GB4 0/14mm standard • Squelette granulaire à granulo continue

• 4.2% de bitume 35/50

GB5® 0/14mm

• Granulo discontinue 6/10mm

• 4.2% de binder:

• Multigrade

• Biprene® 41 IPE (polymer-modified multigrade)

ISAP 2016 SYMPOSIUM & 53rd PARC - Jackson (WY) 24

Propriétés des matériaux

PCG NF EN 12697-31

Orniérage NF EN 12697-22

Module (15° C, 10 Hz)

NF EN 12697-26

Fatigue (10° C, 25 Hz)

NF EN 12697-24

Vides à 100 girations

% De

vides

Ornière (%)

% Des

vides

Modul (MPa)

% des vides

ε6 (µdef)

EME2 0/14 2.9 3.7 3.8 4.5 13 300 2.9 146

GB4 0/14 8.1 7.8 2.7 7.6 14 200 7.2 100 GB5® 0/14 Multigrade 4.9 7.3 2.0 2.9 15 500 2.5 121

GB5® 0/14 Bip.® 41 IPE 5.9 7.2 2.1 2.1 16 200 2.8 142

25

Analyse d’image

Analyse d’image 2D; 2D 3D en utilisant une approche de stéréométrie (approche statistique)

Quantification de la strcuture des enrobés: • Identification des phases des matériaux (granulats, mastic, porosité)

• Description de l’empilement granulaire avec une approche développée par l’IFSTTAR


Slab compaction appareil photo numérique haute performance capable de capturer des images avec une bonne résolution (entre 20 um / pixel et 50 um / pixel) et capable de couvrir une surface minimale de 100 cm².

Les paramètres suivants peuvent être déterminés:

granulat (aire, périmètre et coordonnées)

mastic (aire, distribution)

Vides (aire, distribution)


Principe de discréditation de Dirichlet

Analyse d’image


EME2 GB4 GB5®

Photo originale

Photo après seuillage

Identification des particules supérieure

50mm²

Analyse d’image

LAF-average: the LAF (Local Area Fraction) is the ratio of the area of the aggregate intercepted particle to the area of the cell around it.

NNDist-Kurtosis: The NNDist-Kurtosis (Nearest-Neighbour Distance) histogram shows the spatial distribution of the largest particles. A high Kurtosis-NNDist value indicates a “good” occupation of the surface area covered.

∑(Area/NN Dist): This parameter combines both the area of the particle and the distance from its nearest neighbour, in other words, the interaction zone of a skeleton particle.


Specimen Number Of particles

LAF-average (%)

NN Dist - Kurtosis

∑ (Area/NN Dist) (x1000)

EME2 34 ± 3 25 ± 3 4 ± 1 4.5 ± 0.5 GB4 34 ± 5 22 ± 1 11 ± 1 9.5 ±0.5 GB5® 48 ± 2 33 ± 2 18 ± 1 17.0 ±0.5

Analyse d’image

30

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0 5 10 15 20

Rut

ting

Dep

th

(%)

ΣArea/NNDist

GB5 Bip. IPE GB5

Multigrade

GB4

EME2

y = 222,17x + 12245 R² = 0,9901

10 000

11 000

12 000

13 000

14 000

15 000

16 000

17 000

18 000

0 5 10 15 20

Stifn

ess

Mod

ulus

@ 1

5°C

/10H

z (M

Pa)

ΣArea/NNDist

GB5 Bip. IPE

GB5 Multigrade

GB4

EME2

GB5 Bip. IPE

GB5 Multigrade

GB4

EME2

Correlation


Comparaison de dimensionnement de chaussées (en France: réalisé à 15°C & 10Hz)

Thick Bituminous Pavement Structures. "TC620" Traffic Category. 4cm-BBM Overlay. "PF3" Pavement Formation Class.

Traditional Solution Innovative GB5® Solutions

EME2 Binder content=5,7%

GB5 35/45B Binder content=3,9%

GB5 35/50+2.5%SBS Binder content=3,9%

GB5 35/45B+2.5%SBS Binder content=3,9%

Overlay 4cm BBM 4cm BBM 4cm BBM 4cm BBM

Base course 16cm EME2 14cm GB5 12cm GB5 10cm GB5

Difference in base layer thickness - 2cm (- 10%) - 4cm (- 20%) - 6cm (- 10%)

Difference in aggregate quantity - 10% - 20% - 30%

Difference in bitumen quantity - 28% - 39% - 48%

Difference in materials cost/m2

Reference

-23% -27% -38%

4% 4% 4%


2010: des sections GB5®


2011: GB5® roadworks on A43 & A41N highways 31,000T with PMB Biprene® & HiPMB Orthoprene®

GRENOBLE

CHAMBERY LYON

A 48

A 43

A 49

A 51

A 41 S

A 41 N ANNECY

VALENCE

A 430

ALTBERVILLE

A 432

CE de Chesnes

CE de Nances

CE d’Annecy

Siège de Bron

St Marcelin (CE des 3 Massifs)

Le Crozet (CE des 3 Massifs)

Aiton (CE du Val d’Isère)

Le Touvet (CE du Val d’Isère)

Rives (CE des 3 Massifs)

GENEVA


GB5® 0/14 (4/10 gap) ‘Budillon-Rabatel’ aggregate + 15% RAP + 3.5% PMB (‘Biprene® 41’)

E*(15ºC-10Hz)=17,500MPa & Fatigue(10°C-25Hz) ε6=133 10-6


4.4% de vides



GB5® 0/14 (4/10 gap) ‘Budillon-Rabatel’ aggregate + 15% RAP + 3.5% HiPMB (‘Orthoprene®’)

E*(15ºC-10Hz)=11,000MPa & Fatigue(10°C-25Hz) ε6=205 10-6

4.4% de vides



Granulo continue 0/14mm

0/14mm (4/10mm discontinue)


2012: In-situ follow-up of GB5® & EME2 on A41N highway


2013-14: GB5® près de la frontière France-Suisse


2014: GB5® roadworks, ETHEKWINI METRO (Afrique du sud)


Plusieurs autres applications…

Ports

Voies ferrées

Aéroports

Ponts


Conclusions

- Transposition de l’empilement granulaire développé pour les béton haute résistance

- Notre méthode expérimentale pour l’optimisation de l’empilement granulaire est basé sur la PCG à 20 girations. Dépendamment du nombre de fraction granulaires utilisés (n), l’optimisation est effectuée en n-1 étapes.

- La ‘granulo optimale’ du GB5® apporte: + excellente aptitude au compactage + résistance en compression accrue et module plus élevé.

- L’utilisation d’environ 4,5% de bitume polymère est suffisant pour avoir une bonne résistance à la fatigue


- l’optimisation granulaire amène une meilleure densité (<94-98%) avec une basse teneur en bitume (3.9% to 5.0%) ⇒ intéressant économiquement

- Amélioration de la résistance en compression et du module ⇒ pas besoin d’utiliser u bitume plus dur

- 60 natures de granulats avec différentes combinaisaon granulaire ont été testés par Eiffage en labo (Chaud, tiède, à froid)

- 2,000,000 tons de GB5® avec bitume polymere ont été posé en France, Espagne, Afrique du sud

Conclusions


Perspectives

- Implentation desGB5® dans d’autres pays (validation avec d’autres matériaux, climat…).


Shoot for the moon. Even if you miss, you'll land among the stars (Oscar Wilde )

Merci de votre attention

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