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