09NUMÉRO

1

P U B L I É P A R B I T U M E Q U É B E C

IntroductIonDans le domaine des chaussées bitumineuses, les enrobés à module élevé constituent une approche performante pour pallier aux problèmes d’accroissement et d’agressivité du trafic. Les enrobés à module élevé ( EME ) permettent un apport structural supérieur aux chaussées bitumineuses comparativement aux enrobés conventionnels. Les premières applications des EME sont apparues en France dans les années 1980. Tout récemment, le développement de spécifications a été réalisé afin d’adapter ce type d’enrobés a u x c o n d i t i o n s c l i m a t i q u e s d u Q u é b e c . Ce bulletin présente les notions générales ayant permis de formuler les enrobés à module élevé EME-10 et EME-14.

1 ) dÉFInItIonLes EME sont des matériaux permettant un renforcement structurant très important aux chaussées bitumineuses grâce à leur pe r fo rmance é l e vée su r t ro i s p l ans : la résistance à l’orniérage, le module complexe et la tenue en fatigue. L’optimisation et la combinaison de ces facteurs permettent conséquemment de diminuer les épaisseurs de couches de la chaussée. La rigidité des EME peut être jusqu’à trois fois plus élevée que celle des enrobés conventionnels. C’est grâce à cette augmentation de la rigidité qu’il est possible, pour une durée de vie égale, de diminuer la quantité de matériaux nécessaires à la réalisation d’une chaussée bitumineuse, ou, pour une même épaisseur d’enrobés, d’augmenter la durée de vie de la chaussée. Dans les deux cas, cette approche contribue aux valeurs préconisées de développement durable.

LES ENROBÉS À MODULE ÉLEVÉ ADAPTÉS AUX CLIMATS FROIDS

2 ) LES AVAntAGESL’utilisation des EME dans les structures de chaussées bitumineuses augmente la résistance aux sollicitations élevées provenant du trafic lourd et du débit de circulation. Les EME sont très résistants à l’orniérage et à la fatigue et offrent les avantages suivants:

• augmentent la durée de vie de la chaussée pour une épaisseur équivalente aux enrobés à chauds ;

• diminuent les épaisseurs de couches pour une durée de vie égale. Cette fonction est particulièrement utile lorsque le chantier a des contraintes de hauteur avec, par exemple, un passage sous un ouvrage et une restriction de profil en milieu urbain ;

• diminuent les coûts grâce aux épaisseurs de couches plus minces ou à une durée de vie prolongée pour la chaussée ;

• favorisent les gains environnementaux puisque la diminution des épaisseurs des couches bitumineuses et l’augmentation de la durée de vie diminuent les émissions de gaz à effet de serre (GES) et l’utilisation des ressources naturelles.

2

1 Pour ce type de géométrie, les joints doivent être réalisés à chaud ou avec un produit adhésif haute performance pour joint afin de contrer les effets du cisaillement.

2 Il existe différentes appellations pour la norme du module complexe. Les normes américaines AASHTO TP-62-07 et ASTM D 3497-79 déterminent le module dynamique tandis que la norme européenne EN 12697-26 parle de module de rigidité. Les résultats présentés dans ce bulletin proviennent de la méthode d’essai récemment développée par le ministère des Transports, soit la LC 26-700 Détermination du module complexe des enrobés.

3 ) LES domAInES d’EmpLoILes enrobés à module élevé s’uti l isent en construction neuve, en renforcement et en réfection. Ils peuvent être utilisés pour tout types de trafic et leur formule est spécialement adaptée aux trafics les plus élevés.

Les couches de base et de liaison ont un rôle structurant permettant d’assurer la durée de v ie de l a chaussée ; rô le que rempl i t l’EME grâce à ses performances mécaniques ( figure 1 ). L’EME-14 a été formulé à cette fin (se référer à la fiche technique ci-jointe). En résumé, l’EME-14 est spécialement adapté pour :

• les autoroutes et les boulevards industriels fortement sollicités ;

• les voies à trafic lent et canalisé telles que des corridors d’autobus ;

• les voies spécia les avec c i rculat ion de véhicules et d’appareils lourds telles que les quais de chargement, les aires de stockage, l e s vo ies aé ropor tua i res e t l e s p i s tes d’aéroports ;

• les carrefours giratoires 1 ( EME-10 en surface ).

Pour une couche de roulement fortement soll icitée, un deuxième enrobé à module élevé, l’EME-10 a a u s s i é t é d é v e l o p p é ( f i che techn ique c i - jointe ). L’EME-10 est aussi utilisable en couche de liaison.

4 ) L’ApprochE dE dImEnSIonnEmEnt mÉcAnIStIquE-EmpIrIquE

C e t t e s e c t i o n a b o r d e l ’ a p p r o c h e d e d i m e n s i o n n e m e n t m é c a n i s t i q u e a f i n d’expl iquer les paramètres, tels que les modules complexes 2, la résistance en fatigue e t l e re t r a i t the rm ique ayan t se r v i à l a formulation des EME-10 et EME-14.

Les premières étapes de conception et de calculs de dimensionnement des chaussées sont essentielles afin d’assurer la pérennité des ouvrages. Les modèles de comportement mécanique des chaussées routières permettent de calculer la distribution des contraintes et les déformations selon la rigidité des matériaux ( approche mécanistique ) ainsi que leurs résistances à l’endommagement tout au long de leur durée de vie ( approche empirique ).

Les propriétés et les performances recherchées sont différentes selon la fonction de l’enrobé ( couche de base, de liaison ou de roulement ), les conditions climatiques et les sollicitations du trafic. Lors des sollicitations sous le passage d’un essieu, la partie supérieure des enrobés est principalement soumise à des contraintes en compression tandis que sa partie inférieure est surtout assujettie à des contraintes en traction ( figure 1 ).

09NUMÉRO

3

3 Les unités de microdéformations s’identifient également en « µm / m ».

Zone decompression

Zone de traction

couche deroulement (collée)

(collée)

(collée)

couchede liaison

couche de base

sol

couche defondation etsous-fondationgranulaire

E1 v1 v1 = 0,35

v2 = 0,35

v3 = 0,35

v = 0,35

200 40 60

E2 v2

E3 v3

Epƒ

(εt )

( εz)

h2

h3

Axe neutre

80 100

µdeƒ

300

200

010

0µd

eƒ

h1

Essieu: 8200 kg

Pression par pneu: 587 kPa

Effets des EMEDiminution desdéformations

Effets des EMEDiminution desdéformations

Revê

tem

ent

MATÉRIAUXCAS DE CHARGESTRUCTURE

Nombre de cycles:NE = ÉCAS

MODÉLISATION

Mic

ro-

défo

rmat

ion

ε6

1 x 104 1 x 10510

100

1000

1 x 106 1 x 107

Droite de fatigue

Rayon de contact: 0,104m

Pression par pneu: 587 kPa

Essieu standard de référence: 8200 kg

Conditions aux interfaces(collées ou glissantes)

- Résistance en fatigue de l’enrobé en couche de base

εt calculée < εt admissible

E1 H1 v1

E2 H2 v2

E3 H3 v3

εz

εt εt NE =5 M ÉCAS

NE =5 M ÉCAS

εt admεt adm

Figure 1 distribution des contraintes sous chargement dans une structure de chaussée bitumineuse 3

Figure 2déformation sous chargement d’un essieu normalisé et admissible selon la résistance en fatigue de l’enrobé

4

Les matériaux peuvent se rompre lorsqu’un g r a n d n o m b r e d e s o l l i c i t a t i o n s , d o n t l’amplitude est inférieure à leur résistance à la rupture instantanée, leur sont appliquées de façon répétée. C’est ainsi que se définit le phénomène de fatigue des matériaux ; p h é n o m è n e a p p l i c a b l e a u x e n r o b é s bitumineux subissant les passages soutenus de véhicules lourds.

Les logiciels de dimensionnement 4 de chaussée permettent de calculer la contrainte en déformation-traction ( εt ) à la base des couches bitumineuses et la contrainte en déformation du sol support ( εz ). Les déformations sont alors comparées et elles doivent demeurées infér ieures à la contra inte admiss ib le de cette même couche de la chaussée projetée ( figure 2 ).

5 ) LA rIGIdItÉ dES EnrobÉS ( moduLES compLExES )

Les enrobés présentent une susceptibilité thermique et cinétique : cela signifie que leur module évolue suivant la température et la fréquence de sollicitation. Cette propriété leur provient du bitume caractérisé par la combinaison de ses comportements visqueux et é las t iques ( f igure 3 ) . La part icu lar i té viscoélastique du bitume est conséquemment transmise à l’enrobé ( figure 4 et tableau 1 ). L’approche analytique du module complexe permet d’évaluer la rigidité de l’enrobé en fonction de la température et du temps de chargement ( fréquence ).

Le module complexe d’un enrobé est déterminé à différentes fréquences et températures et selon de faibles déformations afin de demeurer dans le domaine viscoélastique linéaire. Les matériaux sont souvent identifiés selon leur rigidité et la figure 5 permet de visualiser où se situent les enrobés à module élevé par rapport à d’autres matériaux.

Il existe différentes méthodes pour déterminer le module complexe. En 2009, le MTQ a instauré la méthode d’essai LC 26-700 5. L’essai détermine la contrainte pour une déformation donnée d’un enrobé en appliquant une force en traction-compression directe sur une éprouvette ( figure 6 ). Dès le début, l’application d’une contrainte provoque une déformation de l ’ éprouvet te due au compor tement viscoélastique du bitume ( figure 7 ). La figure 8 illustre une presse hydraulique permettant de mesurer les modules complexes.

Le tableau 2 présente les spécif icat ions suggérées pour l e s EME-10 e t EME-14. Les g raph iques de la courbe ma î t res se e t des courbes isothermes des EME-10 et EME-14 sont présentés dans la f igure 9. L a f i g u r e d e s c o u r b e s i s o t h e r m e s montrent l’évolution du module complexe d’un enrobé à différentes températures et à d i v e r s e s f r é q u e n c e s d e sol l ic i tat ion. À titre informatif, la norme européenne EN-12697-26 sur les EME spécifie des exigences de fatigue à 15°C et 10 Hz.

4 Il existe différents logiciels de dimensionnement mécanistique. Au Québec, l’ÉTS a développé le logiciel OPECC disponible au www.opecc.etsmtl.ca. Aux États-Unis et au Canada, le logiciel DARWin-ME est disponible au www.darwinme.org. En France, le logiciel Alizé est utilisé; il est disponible au www.itech-soft.com/alize.

5 Référence n°2.

09NUMÉRO

5

Figure 3 propriétés viscoélastiques du bitume

Com

posa

nte

visq

ueus

e (G

'')

Composante élastique (G')

bitume A

δ = 65

°

δ = 25°

bitume B

G''A

G''B

G'A G'B

TABLeAu 2Spécifications des modules complexes des EME

EME-10 et EME-14

Module complexe | E* |Traction-compression directe, 10°C et 10 Hz ( MPa ) *

> 14 000

Module complexe | E* |Traction-compression directe, 15°C et 10 Hz ( MPa ) *

> 11 000

( * ) Méthode d’essai : LC 26-700 - Détermination du module complexe des enrobés

TABLeAu 1Résumé des relations des différents modules

NOM FORMULES

1. Module d’Young d'un matériau purement élastique E = Contrainte / Déformation

2. Norme du module complexe des bitumes | G* | = (G’) ² + (G”) ²

3. Norme du module complexe des enrobés (module dynamique) | E* | = (E’) ² + (E’’) ²

6

Figure 5 différentes valeurs de module de rigidité des matériaux 6

MPa

Matériaux de chaussée

2900

Plexiglass

3000

Enrobés

2300014000

BétonEME

66000

Verre

106000

Bronze

200000 à 220000

Acier

6 Cette figure est inspirée d’une diapositive présentée par M. Laurent Porot.

Figure 4 propriétés

viscoélastiques des enrobés

δ = 65

°

δ = 25°Com

posa

nte

visq

ueus

e (E

'')

Composante élastique (E')

enrobé A

enrobé B

E''A

E''B

E'A E'B

09NUMÉRO

7

Figure 7 déphasage entre la contrainte et la déformation d’une éprouvette d’enrobés Temps, t (sec)

Cont

rain

te, σ

(kP

a)

Défo

rmat

ion,

ε(µ

deƒ)

0,25 0,5 0,75 1,0 1,25

σ sin (ωt)

σ

ε sin (ωt - Φ)

ω = 2π / ttotal

ε

tlag

Figure 6 Installation d’une éprouvette pour subir des cycles de traction-compression directe

Figure 8 presse hydraulique permettant de mesurer les modules complexes

8

Figure 9 Exemples de résultats graphiques d’un EmE-14

09NUMÉRO

9

6 ) LA rÉSIStAncE En FAtIGuELa fat igue est un phénomène d’endom-magement observé pour les matériaux soumis à des chargements cycliques de sollicitation qui se traduit par une perte progressive de leur module de rigidité. Pour un enrobé bitumineux, la fatigue se manifeste par le passage répété de poids lourds sur la chaussée qui provoquent l’accumulation de multiples déformations dans le revêtement, notamment de traction dans sa partie inférieure. La tenue en fatigue d’une couche d’enrobés bitumineux est assurée par :

• un f i lm de l i ant p lus épa i s autour des granulats ;

• une compaction élevée ;

• une répartition granulaire dense ( optimisation granulaire ).

Au Québec, présentement, il n’existe aucun essai de résistance en fatigue normalisé pour les enrobés. Le Laboratoire sur les Chaussées et les Matériaux Bitumineux ( LCMB ) de l’ÉTS a implanté récemment une nouvelle méthode d’essai pour évaluer la résistance en fatigue des enrobés à partir d’un essai de traction-compression simple 7. Les principes sont les suivants :

• l’essai est pratiqué sur les mêmes formats d’éprouvette que ceux retenus pour la mesure du module complexe de l’essai LC 26-700, soit des éprouvettes cylindriques de 150 mm de hauteur et de 75 mm de diamètre ;

• le mode de sollicitation est le même que celui imposé pour la mesure du module complexe ( LC 26-700 ), soit des sollicitations cycliques sinusoïdales centrées en déformation autour de zéro ;

• au moins trois niveaux de déformations, normalement entre 90 et 210 µdef, sont imposés en traction-compression en vue de définir la relation entre les déformations imposées et la durée de vie en fatigue ( figure 10 ). Cette relation exprimée dans un domaine log-log permet de déterminer la droite de fatigue de l’enrobé ( droite de Wöhler- figure 11 ) ;

• un suivi de la force est effectué durant l’essai afin de déterminer le critère de rupture. La force in i t ia le F i est mesurée au début d e l’essai et l’éprouvette est considérée rompue à Fi / 2. C’est alors que le nombre de cycles Nf 50 % est noté ( figure 11 ) ;

• le chargement cyclique et les déformations imposées sont mesurés à 10°C et 10 Hz.

I l est à noter que cet essai se réalise sur plusieurs jours et que la fabrication des éprouvettes est délicate. Le résultat de l’essai s’exprime en microdéformations (µdef) pour un nombre donné de cycles à la rupture. Les valeurs typiques des enrobés bitumineux se s i tuent ent re100 e t 200 µdef à 1 mi l l ion de cycles de sollicitations ( à 10°C et 10 Hz ). L’étude de fatigue permet de déterminer :

• la valeur de référence d’epsilon « ε6 » ( niveau de déformation correspondant à la résistance à 1 mi l l ion de cyc les de so l l i c i ta t ions , soit 106 cycles ) ;

• la pente de la droite de fat igue ( -1/b ) de la courbe de Wöhler (nombre de cycles en fonction du niveau de déformations sur un graphique en échelle log-log) ( figure 11 ) ;

• la dispers ion des valeurs expr imées par l’écart-type des mesures Sn.

A u m ê m e t i t re q u e l a n o r m e d u m o d u l e complexe | E* |, ces trois valeurs ( ε6 -1/b et Sn) servent au calcul de dimensionnement des chaussées. Le tableau 3 présente les valeurs spécifiées pour les EME.

7 Cette méthode d’essai a été développée au département de génie civil et de bâtiment ( DGCB ) de l’École Nationale des Travaux Publics ( ENTPE ) de Lyon en France. La méthode consiste à imposer une déformation cyclique sur une éprouvette cylindrique et à mesurer l’évolution de son module dynamique afin de déterminer sa durée de vie en fatigue ( N

f ) selon

différents critères de rupture ( référence n°5 ).

10

TABLeAu 3Exigences de résistance

en fatigue des EME

EME-10 et EME-14

ε6 ( traction – compression, 10°C, 10 Hz )* 1 million de cycles, N

f 50% ( µdéf ) > 130

( * ) Essai réalisé selon le mode opératoire de l’ÉTS : Détermination de la résistance en fatigue par essais de traction–compression.

Figure 10 Exemple de déroulement de l’essai de fatigue

Figure 11 droite de fatigue à 10°c et 10 hz

Lot n°1Déformationappliquée130 µdéf

Résultats

Cas n°1Plus de 60 % des éprouvettes dépassent 1,6 millions de cycles avant la rupture

Cas n°2Moins de 60 % des éprouvettes dépassent 1,6 millions de cycles avant la rupture

Lot n°1Déformation appliquée:170 µdéf

Lot n°2Déformation appliquée:90 µdéf

Lot n°3Déformation appliquée:210 µdéf

Lot n°3Déformation appliquée:200 µdéf

Log µdéformation (log ε)

Log

Nom

bre

de c

ycle

(log

Nƒ5

0%)

2,202,10

7,20

7,00

6,80

6,60

6,40

6,20

6,00

5,80

5,60

5,40

5,20

5,00

4,802,30 2,40

ε6 = 165 µdeƒ

y = -5,1646 x + 17,456R2 = 0,8647

Pente -1/b = 5,1646b = -0,194

La déformation admissible initiale en traction ( εt adm ), que peut subir la couche inférieure en enrobé est déterminée à partir du trafic équivalent ( NE ) ( figure 2 ). Le NE représente le nombre d’équivalent charge axiale simple ( ÉCAS ) sur la voie la plus sollicitée pour la chaussée à l’étude. Cette valeur est établie lors du calcul de dimensionnement d’une chaussée, selon le trafic et la durée de vie recherchée. Quant à la déformation admissible, elle se calcule à partir de l’équation suivante 8 : εt adm =εε6 ( NE / 106 ) b

8 Cette formule est générale et exclue les coefficients d’ajustements de calage, de risque, de capacité portante et de température d’essai.

09NUMÉRO

11

7) LE rEtrAIt thErmIquE EmpêchÉLe climat froid du Québec provoque des cont rac t ions dans l e s enrobés ( r e t r a i t thermique ), souvent responsables des pre-mières fissures transversales qui apparaissent dans les e n ro b é s d e s u r f a c e . E n e f f e t , lors de baisses de la température, le bitume se contracte alors que les granulats résistent à cette variation volumétrique provoquant ainsi le retrait thermique.

L’essai de retrait thermique empêché évalue d o n c l a s u s c e p t i b i l i t é d e s e n r o b é s à l a fissuration aux basses températures ( figure 12). Cet essai est donc très important en milieu québécois. Présentement, les enrobés bitumineux du Québec sont formulés avec des bitumes « relativement mous » afin de s’adapter aux contraintes de retrait thermique sévères induites par le refroidissement de l’enrobé lors des températures hivernales.

P a r c o n t re , i l e s t p o s s i b l e d e c h e rc h e r l’adéquation de rigidité élevée et de résistance au retrait thermique afin de fabriquer des enrobés à module élevé. La formulation des EME-10 et EME-14 est caractérisée par l’emploi d’un bitume polymère à haut module, aux températures élevées mais résistant également au froid ; ce bitume présente donc une très grande plage de performances thermiques H-L ( tableau 4 ).

La méthode d’essai permettant de déterminer le retrait thermique empêché est celle de l’AASHTO TP10-93 Thermal Stress Restrained Specimen Test ( TSRST )9 ( f igure 13 ). Cet essai permet de confirmer la performance « L » du bitume dans l’enrobé.

Figure 12 courbe de résultat d’un essai de retrait empêché 10

Température (°C)

Température de fissuration

Température de transition

Accumulationdes contraintes

Relâchementdes contraintes

Rupture

Pente

Cont

rain

te (M

Pa)

-40,0 -30,0 -20,0 -10,0 0,0

5,0

4,5

4,0

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

9 Cet essai de l’AASHTO n’est plus mis à jour.10 Cette figure est une reproduction de celle présentée dans la référence n°3.

12

TABLeAu 4Exigences des EME au retrait

thermique empêché

EME-10 et EME-14

TSRST, Température de rupture ( °C )* ≤ - 28,0

( * ) Norme : AASHTO TP-10-93 Thermal Stress restrained Specimen Test ( TSRST )

Figure 13 Éprouvette d’enrobés ayant subi l’essai de retrait thermique empêché

8 ) LA FormuLAtIon dES EmELes EME se caractérisent normalement par les propriétés suivantes :

• un squelette granulaire dense et continu de 0-10 mm ou de 0-14 mm ;

• un grade de bitume à haute performance à température é levée, te l qu’un grade PG 88-28 ;

• un pourcentage de vides faible ;

• des performances mécaniques é levées ( module > 14 000 MPa à 10°C, 10 Hz ).

Optimisation granulaire11. L’optimisation des fractions granulaires constituant l’enrobé permet d’obtenir un mélange à basse teneur en vides.

Le bitume . L’ut i l i sa t ion d’un b i tume de haute performance permet de combiner les performances d’une rigidité élevée et d’une grande résistance à la fatigue tout en résistant auss i aux effets néfastes des condit ions climatiques du Québec. Ainsi, un bitume de h a u t e p e r f o r m a n c e a é t é d é v e l o p p é . Ses propriétés s’apparenteraient à un grade de bitume PG 88-28. La teneur en bitume des EME varie entre 4,0 à 5,0 %.

Informations complémentaires sur le bitume haute performance PG 88-28 Les enrobés a module élevé EME sont apparus en F rance au début des années 1980 e t ont maintenant leur spécification normalisée se lon la norme européenne EN 13108-1. Les performances mécaniques attendues des EME européens sont généralement obtenues par l’emploie de bitumes purs de distillation directe très dur de grade de pénétrat ion 10-20 ( ASTM-D5 ).

Ces bitumes durs permettent l’obtention des modules élevés des EME (>15 000 MPa à 15°C selon la norme EN 13108-1) mais leur consistance empêche l ’obtent ion de résistances aux basses températures des hivers Québécois. Le tableau 5 présente la comparaison des caractérisations de différents bitumes durs disponibles en France et les performances du bitume PG 88-28 utilisé dans le développement des EME-14 et EME-10.

11 Une méthode d’optimisation granulaire a été développée par l’ÉTS ( référence n°4 ).

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13

Les viscosités dynamiques et les valeurs de température élevée obtenues ( Te ) sont comparables entre les bitumes 10-20 et le PG 88-28. Il y a cependant une différence appréciable de leur performance aux basses températures ( Tb ) explicable pour le bitume PG 88-28 par la sélection du bitume de base qui le compose et par l’ajout de polymère.

De même, se lon la nouvel le approche de caractérisation des performances à haute température, soit l’essai MSCR, les résultats révèlent des performances remarquables sous déformation par fluages répétés (Jnr) pour ces deux bitumes ( 10-20 et PG 88-28 ).

Les résultats très faibles de déformations cumulées pour ces deux bitumes assurent aux EME des résistances exceptionnelles à l’orniérage. De plus, l’excellente recouvrance é las t ique du PG 88-28 ( e s sa i MSCR ) , démontre l’effet de la modification par l’ajout de polymère de ce bitume haute performance comparativement au bitume pur 10-20 non-modif ié. F inalement, l ’a jout de polymère au bitume améliore la résistance en fatigue des EME.

( * ) Ces grades de bitume sont non-conformes à l’essai de recouvrance.

TABLeAu 5Caractéristiques structurales

d’enrobés bitumineux

ClassifiCation européenne du bitume( pénétration, 1/10 mm )

QuébeC( eme )

essais 10/20 20/30 35/50 50/70 pG 88-28

densité à 25°C ( gr / cm3 ) 1,041 1,033 1,033 1,026 1,013

pénétration ( dmm ) 16 28 47 50 57

point de ramollissement ( °C ) 73 66 63 60 92

reCouvranCe d’élastiCité à 10°C ( % ) < 5 < 5 < 5 7,5 71

visCosité brookfield ( Cp )à 135°C 1875 980 595 439 1928

à 165°C 390 234 156 124 424

Grade pG

Télevée ( °C )

88,24 80,6 71,7 69,3 90,7

Tbasse ( °C )

-14,6 -18,8 -21,2 -22,7 -29,2

Grade PG 88-10 PG 76-16 PG 70-16 PG 64-22 PG 88-28

pG-msCr à 64°C

Jnr à 3,2 kPa 0,10 0,38 1,50 2,17 0,013

Recouvrance (%) 29,3 12,5 2,3 1,3 95,6

Grade (*) PG 64E-10* PG 64E-16* PG 64H-16 PG 64S-22 PG 64E-28

14

9 ) pArtIcuLArItÉS LorS dE LA mISE En œuVrE

La maniabilité des EME en chantier est plus difficile que celle des enrobés conventionnels étant donné la présence d’un bitume à haute performance dans le mélange. Pour une même température, les EME sont moins maniables que les enrobés avec un bitume usuel. P a r contre, la compacité en chant ier est assurée par l’optimisation granulaire de la formulation. Afin d’obtenir une forte résistance à la fatigue, des compactions élevées sont fortement souhaitées, de l’ordre de 96 % et même 98 %.

Au début de novembre 2012, Bitume Québec a réalisé une première planche expérimentale en EME-14 sur une chaussée urbaine réhabilitée ( rue Bourgogne à Brossard ). L’EME-14 a été posé en 60 mm d’épaisseur et recouvert d’une couche de surface d’enrobés à chaud de 40 mm. La compacité obtenue était de l’ordre de 98 %. Des jauges de déformations et de température ont été installées sous l’enrobé EME ainsi que sur une section témoin afin de comparer les résultats et de suivre les performances ( apport structural ) des deux enrobés. Après deux hivers où la température min ima le enreg i s t rée é ta i t de -28 ,2°C, la section en EME n’a aucune fissure.

10) compArAISon dE dIFFÉrEntES StructurES dE chAuSSÉES

Grâce à leur fonction structurante, l’utilisation d’EME dans une structure de chaussée permet des diminutions considérables de l’épaisseur des couches d’enrobés pour une même durée de vie de la chaussée ( tableau 6 ). À titre comparatif, trois différentes structures ont été analysées12, soit une structure rigide en dalles de béton, une structure bitumineuse composée d’une couche de grave-bitume et une structure bitumineuse en EME. L’exercice simule une autoroute à forte circulation, d’une durée de vie de 30 ans et avec les données de trafic suivantes :

• 2 x 3 voies ;

• 50 000 DJMA et 25 % de poids lourds ;

• soit 149 millions d’ÉCAS.

À partir de ces données de calcul hypothétiques, les t ro is structures de chaussée obtenues ( figure 14 ) ont les épaisseurs suivantes :

• 37,5 cm d’épaisseur pour la dalle courte goujonnée de la structure rigide ;

• 32,0 cm d’épaisseur d’enrobés pour les trois couches de la structure en grave-bitume ;

• 23,0 cm pour les deux couches d’enrobés de la structure à base d’EME.

Ainsi, la structure en EME permet des diminu-tions d’épaisseur appréciables comparati-vement à une structure grave-bitume, de l’ordre de 9 cm ( 28 % ) dans le cas présent. La réduction devient de l’ordre de 14,5 cm ( 39 % ) lors d’une comparaison avec une structure rigide.

12 Les logiciels de calculs de dimensionnement uti l isés sont Winpass pour la structure rigide, Chaussée 2 pour la structure en grave-bitume et Alizée pour la structure en EME.

TABLeAu 6Caractéristiques structurales d’enrobés bitumineux

matériaux bitumineux

CaraCtéristiQues struCture Grave-bitume ( Gb-20 ) pG 58-28

struCture eme ( eme-14 )pG 88-28

modules Complexes( Traction compression directe )

10°C - 10 Hz > 6 000 ( MPa ) ≥ 14 000 ( MPa )

15°C – 10 Hz > 3 000 ( MPa ) ≥ 11 000 ( MPa )

résistanCe en fatiGue Déformation correspondant à 1 million de cycles, ε6 ( 10°C, 10 Hz )

de 80 à 100 µdef > 130 µdef

09NUMÉRO

15

Figure 14 comparaison des différentes structures de chaussées équivalentes

SOUSFONDATION

GRANULAIREMG-56 / 55cm

SOUSFONDATION

GRANULAIREMG-56 / 60cm

FONDATIONGRANULAIRE

MG-20 / 25cm

BÉTON DCGDCG / 37,5cm

STRUCTURE RIGIDEDALLE COURTE GOUGEONNÉE,

DCG

FONDATIONGRANULAIRE

MG-20 / 25cm

GB-20 21cm

ESG-14 6cm

ESG-10 5cm

STRUCTURE EMEEME-14, BITUME PG 88-28

STRUCTUREGRAVE-BITUME

SOUSFONDATION

GRANULAIREMG-56 / 60cm

FONDATIONGRANULAIRE

MG-20 / 25cm

EME-14 18cm

ESG-10 5cm

concLuSIonL’approche de fo rmula t ion permet tant d’obtenir des enrobés bitumineux avec de très bonnes performances rhéologiques tels que les EME-10 et EME-14 représente une très grande avancée dans le domaine des chaussées bitumineuses en région froide.

L’ut i l i sat ion des enrobés à module é levé permettra de réaliser des structures adaptées au trafic très sévère rencontré sur le réseau autoroutier supérieur, des boulevards industriels à forte c i rculat ion de poids lourds et des configurations particulières telles que les corridors d’autobus et les carrefours giratoires.

Les prochaines expér iences en chant ier permettront d’établir des corrélations précises entre les propriétés mécaniques des EME et leur espérance de vie dans les conditions particulièrement contraignantes du climat québécois. C’est donc essentiellement l’impact économique que représentent les EME combiné à une très vaste gamme d’utilisation qui en assureront le développement.

AoÛt 2014

DÉFINITION L’enrobé à module élevé EME-10 a une granulométrie dense et continue. Il est composé à partir d’un bitume modifié lui permettant de résister aux sollicitations sévères de la surface, engendrées par les déformations indues à la suite du passage des poids lourds.

AVANTAGES

• Offre une couche de surface très performante. Le module de rigidité, de deux à trois fois plus élevé que les enrobés à chaud, confère un excellent comportement aux efforts superficiels sévères.

• Démontre une très bonne résistance à l’orniérage et au fluage.• Apporte une très bonne résistance à la fatigue à la structure ( déformations répétées produites par le

trafic lourd ), lorsqu’il est utilisé en couche de liaison. • Résiste aux efforts de cisaillement ( ex. : carrefour giratoire ).• Apporte une bonne résistance aux contraintes de retrait thermique ( à basse température ).

DOMAINE D’EMPLOI

L’EME-10 est utilisé en couche de liaison et de roulement, soit en construction ou en renforcement, pour tous types de trafic. L’EME-10 est tout spécialement adapté au trafic lourd et est destiné aux arrêts d’autobus, aux carrefours giratoires, aux voies lentes en montée, aux intersections très sollicitées et aux stationnements industriels.

LIMITES D’EMPLOI

• L’EME-10 est destiné à la couche de liaison et de roulement. • Lorsque le support est composé d’enrobés, celui-ci doit être sans fissures excessives, sans orniérage

excessif ( < 15 mm )*, sans arrachement et sans faiblesse structurale. • Lorsque le support est composé de béton, celui-ci doit être sans joint ouvert ni épaufrures. ( * ) Au-delà de cette limite, le support doit être reprofilé par rabotage à froid.

FABRICATION • Toutes les centrales d’enrobage continues ou discontinues peuvent produire l’enrobé EME-10. • L’EME-10 est un enrobé à granularité 0-10 mm dense. • L’EME-10 peut contenir jusqu’à 15 % de granulats bitumineux recyclés ( GBR ).

LIANTD’ACCROCHAGE

La quantité de liant d’accrochage recommandée ( avec 60 % de résiduel ) selon le type de support est de : • 0,35 l / m2 pour des enrobés neufs ( au taux de bitume résiduel de 0,21 l/m2 ) ; • 0,50 l / m2 pour de vieux enrobés et une surface fraisée ( au taux de bitume résiduel de 0,3 l/m2 ).

Le type de liant d’accrochage à utiliser lors du recouvrement d’un support en béton est une émulsion de bitume polymère de type CRS-1hP à un taux de 0,85 l / m2.N. B. : Pour obtenir plus d’information sur les bonnes pratiques de l’utilisation des liants d’accrochage, consultez le Techno-Bitume n°2.

MISE EN ŒUVRE

L’EME-10 est un produit spécialisé qui demande des précautions supplémentaires lors de sa mise en œuvre. Voici les recommandations :• la température extérieure doit être de 10° C et plus lors de la pose ;• l’utilisation d’un véhicule de transfert des matériaux ( VTM ) est recommandée, car la pose d’un

enrobé utilisant un liant à haute viscosité entraîne un raidissement rapide et une diminution de la maniabilité du mélange ;

• la vitesse d’avancement du finisseur doit être ajustée au débit de la centrale de production ;• la température de l’enrobé dans les vis du finisseur doit être supérieure à 150°C ;• le compactage s’effectue à l’aide de rouleaux compacteurs de grande capacité et ceux-ci doivent

circuler le plus près possible du finisseur ;• le compactage s’effectue principalement en mode vibration. La vibration doit être à grande amplitude

et adaptée à l’épaisseur de pose lors des premiers passages ;• les joints froids sont à éviter. Sinon, il faut effectuer un collage à l’émulsion ou réchauffer les joints ;• les interventions manuelles doivent être minimisées ;• l’épaisseur de l’enrobé doit être entre 40 à 70 mm par couche ( après compactage ).

CARACTÉRISTIQUES DE MISE EN ŒUVRE

• La texture de l’enrobé est fermée.• La profondeur moyenne de texture est de l’ordre de 0,6 mm.

CONTRôLE DE QUALITÉ

En PrOductIOn :• Analyse granulométrique. • Teneur en bitume par ignition. • Densités brutes et maximales. • Pourcentage de vides.

En chantIEr :• Compacité ≥ 93 %. Cette spécification est un essai de contrôle important. • Température de l’enrobé.• Taux de pose.

EnrobÉ À moduLE ÉLEVÉ EmE-10

AoÛt 2014

CATÉGORIE DU GROS GRANULAT ( ≥ 5 mm ) à utiliser : « 2 » et « a »( NQ 2560-114/2002-M2 Travaux de génie civil - partie V - enrobés à chaud, tableau 2 )

CATÉGORIE DU GRANULAT FIN ( < 5 mm ) à utiliser : « 2 »( NQ 2560-114/2002 - M2 Travaux de génie civil - partie V - enrobés à chaud, tableau 2 )

FUSEAU GRANULOMÉTRIQUE( LC 26-350 Analyse granulométrique des granulats et LC 26-007 Analyse granulométrique des granulats d’extraction )

TAMIS % PASSANT( * ) À titre indicatif

14 mm 100

10 mm 90-100

5,0 mm 68-80*

2,5 mm 44-56*

80 µm 8-16

POURCENTAGE DE VIDES( LC 26-320 Détermination du pourcentage de vides

et de la compacité dans les enrobés à chaud compactés )

Vides à 10 girations ≥ 11,0 %

Vides à 80 girations 4,0 à 7,0 %

Vides à 200 girations ≥ 2,0 %

RÉSISTANCE À l’ORNIÉRAGE ( % )( LC 26-410 Résistance à la déformation des enrobés à l’essai d’orniérage )

Plaques de 50 mm, 60°C à 1 000 cycles ≤ 5,0

Plaques de 50 mm, 60°C à 3 000 cycles ≤ 10,0

TENUE À L’EAU, TSR ( % )( AASHTO T283 - Standard Method of Test for Resistance of Compacted Hot Mix Alphalt (HMA) to Moisture-Induced Damage )

≥ 75

TENEUR EN BITUME MINIMALE ( % )( LC 26-006 Détermination de la teneur en bitume par ignition )

4,0

RÉSISTANCE AU RETRAIT THERMIQUE EMPÊCHÉ ( °C ) TSRST - Température de rupture

( AASHTO TP10-93 Thermal Stress Restrained Specimen Test - TSRST )

≤ -28,0

GRADE DE BITUME PG 88-28

RÉSISTANCE À LA FATIGUE ( µ déformation )( Mode opératoire de l’ÉTS – Détermination de la résistance à la fatigue par essais de traction - compression )

Traction – compression, 10°C, 10 Hz, 1 million de cycles, Nf 50 %

> 130

MODULES COMPLEXES | E*| ( MPa )( LC 26-700 - Détermination du module complexe des enrobés )

Traction – compression directe, 10°C, 10 Hz > 14 000

Traction – compression directe, 15°C, 10 Hz > 11 000

ISbn : 978-2-923714-21-9

dE L’EnrobÉ À moduLE ÉLEVÉ eMe-10

compoSItIon tYpE Et pErFormAncES

COMPACITÉ( LC 26-320 Détermination du pourcentage de vides et de la compacité dans les enrobés à chaud compactés )

≥ 93 %

AoÛt 2014

DÉFINITION L’enrobé à module élevé EME-14 a une granulométrie dense et continue. Il est composé à partir d’un bitume modifié lui permettant de résister aux sollicitations très élevées engendrées par les déformations indues suite aux passages des poids lourds. Dans une structure de chaussée, l’EME-14 dispose d’un grand pouvoir structurant.

AVANTAGES

• Offre une couche de rigidité structurale supérieure très performante. Le module de rigidité, de deux à trois fois plus élevé que les enrobés à chaud, permet un excellent renforcement.

• Apporte une très bonne résistance à la fatigue à la structure ( déformations répétées produites par le trafic lourd ).

• Démontre une très bonne résistance à l’orniérage.• Transmet au revêtement une très bonne résistance aux contraintes de retrait thermique

( à basse température ).• Permet de doubler la durée de vie de la structure ( à épaisseur égale ).• Alloue une diminution d’épaisseur pour une durée de vie structurale comparable.• Nécessite moins de ressources naturelles ( diminution d’épaisseurs ).

DOMAINE D’EMPLOI

L’EME-14 est utilisé en couche de base et de liaison, soit en construction ou en renforcement. Cet enrobé est conçu pour tous les types de trafic, mais il est principalement destiné aux chaussées fortement sollicitées ( t rafic élevé, autobus et camions ).

LIMITES D’EMPLOI

• L’EME-14 est destiné à la couche de base et de liaison. Il peut être utilisé en couche de surface lors d’applications particulières telles que des arrêts d’autobus.

• Lorsque le support est composé d’enrobés, celui-ci doit être sans fissures excessives, sans orniérage ( < 20 mm )*, sans arrachement et sans faiblesse structurale.

( * ) Au-delà de cette limite, le support doit être reprofilé par rabotage à froid.

FABRICATION • Toutes les centrales d’enrobage continues ou discontinues peuvent produire l’enrobé EME-14. • L’EME-14 est un enrobé dense à granularité de 0-14 mm.• La température de malaxage doit être ajustée selon les recommandations du fabricant de bitume.• L’EME-14 peut contenir jusqu’à 15 % de granulats bitumineux recyclés ( GBR ).

LIANTD’ACCROCHAGE

La quantité de liant d’accrochage recommandée ( avec 60 % de résiduel ) selon le type de support est de : • 0,35 l / m2 pour des enrobés neufs ( au taux de bitume résiduel de 0,21 l/m2 ) ; • 0,50 l / m2 pour de vieux enrobés et une surface fraisée ( au taux de bitume résiduel de 0,3 l/m2 ).N. B. : Pour obtenir plus d’information sur les bonnes pratiques de l’utilisation des liants d’accrochage, consultez le Techno-Bitume n°2.

MISE EN ŒUVRE

L’EME-14 est un produit spécialisé qui demande des précautions supplémentaires lors de sa mise en œuvre. Voici les recommandations :• la température extérieure doit être de 10° C et plus lors de la pose ;• l’utilisation d’un véhicule de transfert des matériaux ( VTM ) est recommandée, car la pose

d’un enrobé utilisant un liant à haute viscosité entraîne un raidissement rapide et une diminution de la maniabilité du mélange ;

• la vitesse d’avancement du finisseur doit être ajustée au débit de la centrale de production ;• la température de l’enrobé dans les vis du finisseur doit être supérieure à 150° C ;• le compactage s’effectue à l’aide de rouleaux compacteurs de grande capacité et ceux-ci

doivent circuler le plus près possible du finisseur ;• le compactage s’effectue principalement en mode vibration. La vibration doit être à grande

amplitude lors des premiers passages ;• les joints froids sont à éviter. Sinon, il faut effectuer un collage à l’émulsion ou réchauffer les joints ;• les interventions manuelles doivent être minimisées ;• l’épaisseur de l’enrobé doit être entre 50 à 90 mm par couche ( après compactage ).

CARACTÉRISTIQUES DE MISE EN ŒUVRE

• La texture de l’enrobé est fermée.

CONTRôLE DE QUALITÉ

En PrOductIOn :• Analyse granulométrique. • Teneur en bitume par ignition. • Densités brutes et maximales. • Pourcentage de vides.

En chantIEr :• Compacité ≥ 93 %. Cette spécification est un essai de contrôle important. • Température de l’enrobé.• Taux de pose.

EnrobÉ À moduLE ÉLEVÉ EmE-14

AoÛt 2014

CATÉGORIE DU GROS GRANULAT ( ≥ 5 mm ) à utiliser : « 2 » et « a »( NQ 2560-114/2002-M2 Travaux de génie civil - partie V - enrobés à chaud, tableau 2 )

CATÉGORIE DU GRANULAT FIN ( < 5 mm ) à utiliser : « 2 »( NQ 2560-114/2002 - M2 Travaux de génie civil - partie V - enrobés à chaud, tableau 2 )

FUSEAU GRANULOMÉTRIQUE( LC 26-350 Analyse granulométrique des granulats et LC 26-007 Analyse granulométrique des granulats d’extraction )

TAMIS % PASSANT( * ) À titre indicatif

20 mm 100

14 mm 90-100

10 mm 80-90*

5,0 mm 58-70*

2,5 mm 40-52*

80 µm 8-16

POURCENTAGE DE VIDES( LC 26-320 Détermination du pourcentage de vides

et de la compacité dans les enrobés à chaud compactés )

Vides à 10 girations ≥ 11,0 %

Vides à 100 girations 4,0 à 7,0 %

Vides à 200 girations ≥ 2,0 %

RÉSISTANCE À l’ORNIÉRAGE ( % )( LC 26-410 Résistance à la déformation des enrobés à l’essai d’orniérage )

Plaques de 100 mm, 60°C à 30 000 cycles ≤ 5,0

TENUE À L’EAU, TSR ( % )( AASHTO T283 - Standard Method of Test for Resistance of Compacted Hot Mix Alphalt (HMA) to Moisture-Induced Damage )

≥ 75

TENEUR EN BITUME MINIMALE ( % )( LC 26-006 Détermination de la teneur en bitume par ignition )

3,75

RÉSISTANCE AU RETRAIT THERMIQUE EMPÊCHÉ ( °C ) TSRST - Température de rupture

( AASHTO TP10-93 Thermal Stress Restrained Specimen Test - TSRST )

≤ -28,0

GRADE DE BITUME PG 88-28

RÉSISTANCE À LA FATIGUE ( µ déformation )( Mode opératoire de l’ÉTS – Détermination de la résistance en fatigue par essais de traction - compression )

Traction – compression, 10°C, 10 Hz, 1 million de cycles, Nf 50 %

> 130

MODULES COMPLEXES | E*| ( MPa )( LC 26-700 - Détermination du module complexe des enrobés )

Traction – compression directe, 10°C, 10 Hz > 14 000

Traction – compression directe, 15°C, 10 Hz > 11 000

ISbn : 978-2-923714-20-2

dE L’EnrobÉ À moduLE ÉLEVÉ eMe-14

compoSItIon tYpE Et pErFormAncES

COMPACITÉ( LC 26-320 Détermination du pourcentage de vides et de la compacité dans les enrobés à chaud compactés )

≥ 93 %

20

461, boulevard Saint-Joseph, bureau 213, Sainte-Julie ( Québec ) J3E 1W8Téléphone : 450 922-2618 Télécopieur : 450 922-3788 contact@bitumequebec.ca www.bitumequebec.ca

1 ) Ministère des transports du Québec ( mai 2010 ). Matériaux et infrastructures. Études et recherches en transport. Détermination du module complexe des enrobés au ministère des Transports du Québec, Québec.

2 ) Ministère des transports du Québec ( d é c e m b r e 2 0 0 9 ) . L C 2 6 - 7 0 0 - Déterminat ion du module complexe des enrobés, Recueil des méthodes d’essai LC, Laboratoire des chaussées. Les publications du Québec.

3 ) Ministère des transports du Québec ( avri l 2004 ) . M e s u r e e n l a b o ratoire d e l a r é s i s t a n c e a u r e t r a i t t h e r m i q u e des enrobés. Info DLC, Vol. 9, n°4, Québec.

4 ) daniel Perraton, Mathieu Meunier et alan carter (oct/nov/déc 2007). Application des méthodes d’empilement granulaire à la formulation des Stones Matrix Asphalts ( SMA ). Bulletin des Laboratoires des Ponts et Chaussées, n°270-271, France.

5 ) daniel Perraton et radouen touhara (mars 2013) . Déterminat ion de la durée de vie en fatigue d’une éprouvette d’enrobés bitumineux. Via Bitume Vol 8 N°1, Québec.

6 ) Marc Proteau et cather ine Lavoie ( m a r s 2 0 1 4 ) . L e s e n r o b é s à m o d u l e é levé ( EME ) adaptés au c l imat nord ique . Via Bitume Vol. 9 N°1, Québec.

Mise en garde : Les informations présentées dans ce bulletin sont réalisées à titre d’information par les mandataires de Bitume Québec en toute bonne foi et au meilleur de leur connaissance. Ces informations ne doivent en aucun cas se substituer à l’opinion d’un professionnel du domaine des enrobés et elles ne sauraient lier leurs auteurs, l’association et ses mandataires.

Août 2014ISBN 978-2-923714-30-1

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