Download - élisation du refroidissement d’une couche de b ...media.lcpc.fr/ext/pdf/rech/opc/opc_11g012_te.pdf · LCPC Paris, le 15/06/05 Modélisation du refroidissement d’une couche de

LCPC Paris, le 15/06/05

Modélisation du refroidissement d’une couche de béton bitumineux

M. FROUMENTIN Centre d’Expérimentation Routière 1

Modélisation du refroidissement d’une couche

d’enrobé hydrocarboné à chaud

Michel FroumentinCETE NormandieCentre10, Chemin de la Poudrière76121 Le GrandQuevilly Cedex

Centre d’Expérimentation Routière

Géotechnique routière et matériels de chantier




Plan de la présentation

Introduction

Pourquoi une modélisation du refroidissement ?

Modèle retenu

Étude en laboratoire:

validation du modèle sur du sable

réponse du modèle sur matériau bitumineux

Étude en chantier

Poursuite de la recherche

Conclusions, perspectives, développement




Introduction

Travaux initiés dans le cadre du projet européen OSYRIS (20002003) et poursuivis dans l’opération « Modernisation de l’exécution des chantiers routiers » (20012004) du LCPC.

Unités: LCPC Centre de Nantes

LR Rouen Département Chaussées

CER Rouen

CUST ClermontFerrand (TFE ingénieur)

INSA Rouen (stages 2ème année ingénieur)




Pourquoi une modélisation ? (1/2)

La température du mélange au moment du compactage

est un paramètre important

si le compactage est réalisé sur un enrobé trop chaud:

apparition de fissures dues aux contraintes de

cisaillement

phénomène de fluage (vague devant le compacteur)

si le compactage est réalisé sur un enrobé trop froid:

la compacité visée ne sera pas atteinte

risque de microfissuration

défauts de surface (écrouissage)

la maniabilité du matériau, donc sa "compactabilité" dépend de la température




Pourquoi une modélisation ? (2/2)

La température est le paramètre qui est de loin le plus susceptible à des grandes variations sur chantier (délais de transports, débit du finisseur, conditions météorologiques)

Les normes (NF P 98130,131,132 etc.) définissent une fourchette de température de fabrication et une fourchette de température de répandage

La température minimale (Tmin) à partir de laquelle le compactage doit être arrêté (dernière passe effective) est définie en fonction de la dureté du bitume

Tmin = Température de ramollissement + 50 °C




115140145-165 20/30

110130140-160150-17035/50

105125135-155145-16550/70

100120130-150140-16070/100

95115125-145130-150180/220

minimaleoptimale

Température minimale de compactage

Température de

répandage

Température de

répandage

Température de

fabrication de l’enrobé

Classe du bitume

Températures en ° C

Tableau extrait du guide Technique sur le Compactage des enrobés hydrocarbonés à chaud (LCPC juin 2003)




On définit la durée utile de compactage Dc comme le temps durant lequel la température reste à l’intérieur de l’intervalle:

Température de répandage – Température minimale de compactage

La durée utile de compactage est donc fonction de la nature du mélange mais aussi des conditions météorologiques qui influent

sur la vitesse de refroidissement

La prise en compte de façon précise de l’influence des conditions météo implique la mesure de la température au sein de la couche compactée (à miépaisseur) pour vérifier que la température est

située à l’intérieur de la fourchette




-=+> 20° C

-==5 à 20 ° C

---< 5° C

vent fort

> 50 km/h

vent moyen

20 à 50 km/h

vent léger

< 20 km/h

température

De l’air (° C)

Dans la situation actuelle, trois situations types sont distinguées

En fonction de la prévision en début de journée rencontrée sur chantier, on donne une durée utile de compactage pour les couches de roulement et de liaison.

Si on autorise la mise en œuvre par temps froid ou pluie fine, il convient de déterminer la durée utile de compactage par mesure de la température.

(informations données dans les tableaux du guide technique sur le compactage des enrobés hydrocarboné à chaud)




Objet de la modélisation:

L’objectif du modèle développé est de calculer sur chantier la durée utile de compactage en fonction des conditions réelles de mise en œuvre (mélange, épaisseur de la couche, conditions météorologiques).

Cette durée correspond au temps auquel la température en milieu de couche aura atteint une température limite fixée au préalable en fonction du mélange mis en œuvre.




Couche d’enrobé

Support

Equation de la

chaleur

a : diffusivité

thermique

Échange avec l’atmosphère

p*I

I : rayonnement solaire

p : partie absorbée Convection :

Phi = C(ts – t)




Travaux utilisés:

• Bossemeyer H.R. (D)

• Corlew J.S. et Dickson P.F. (USA)

• M. Laporte LRPC ClermontFerrand (F)

Modèle 1D utilisant la méthode numérique

de Crank Nicolson (approximation par

différences finies) pour résoudre l’équation

de la chaleur




Calcul du gradient de température

Exemple de résultat obtenu avec le modèle au cours du refroidissement (plaque sans compactage)

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Température (°C)

Hau

teu

r co

uch

e (m

m)

0 min

1 min

4 min

8 min

16 min

32 min

64 min




ETUDE EN LABORATOIRE

Phase 1: étude de la réponse du modèle sur du sable

Phase 2: étude de la réponse du modèle sur matériau bitumineux

répétabilité

influence du matériau

influence de l’épaisseur

influence de la température




Réponse du modèle sur du sable

Sable de Fontainebleau

Le sable est pesé puis mis dans l’étuve dans plusieurs bacs

(température homogène 160165 °C) pendant 12 heures.

Le sable est mis en place dans la cuve, les sondes sont placées aux différentes profondeurs (fonction de l’épaisseur) et l’enregistrement des températures est réalisé pendant 1 heure.

Chaleur massique du sable de fontainebleau = 703 J/kg°K.

Conductivité du sable de fontainebleau = 0.32 W/m°K




Validation du modèle sur du sable

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

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

Ecart de température (°C)

Pro

fon

deu

r (%

)

Modalités 8, 12, 16, 20 cm




Validation du modèle sur du sable

Conclusions

modèle très bien calé à micouche

il faut éliminer les zones situées en surface et au fond (tranches de 2 cm d’épaisseur)

écart observés < 5 % dans la frange 25 à 75 % de l’épaisseur de la couche




Validation du modèle sur matériau bitumineux

Essais réalisés en laboratoire:

Petites quantités de matériau

conditions constantes (température ambiante, température du support, vent nul, contrôle du compactage)

mise en place des sondes contrôléeMéthodologie:

Fabrication du mélange à chaud

Conservation en étuve

Confection de la plaque, mise en place des sondes

Compactage

Enregistrement du refroidissement (# 4000 sec.)





Matériel utilisé:Malaxeur MLPC

thermorégulé

BBMAX

Fabrication des éprouvettes





Mélange des granulats





Ajout du bitume aux granulats





Mélange obtenu après malaxage





Matériel utilisé:Compacteur de plaques MLPC BBPAC

Moule 500 x 180 mm

Roue de compacatge

Enregistreur des températures

Compactage des éprouvettes





Remplissage du moule avec le mélange





Mise en place des sondes de température





sondes de température à différentes profondeurs





Compactage de la plaque




Facteur

étudié

Matériau

Température

de début de

compactage

Epaisseur de

la plaque

Compacité

visée

Mode de

compactage(°C) (mm) (%)

répétabilité

(6 plaques)

BBSG 0/10

classe 1 140 85 84

8 passes rapides

température

(3 plaques)

BBSG 0/10

classe 1

120 85 90 16 passes rapides140 85 90 16 passes rapides160 85 90 16 passes rapides

vitesse de

compactage

(1 plaque)

BBSG 0/10

classe 1 140 85 90 16 passes lentes

épaisseur

(2 plaques)

BBSG 0/10

classe 1

140 40 90 8 passes rapides140 100 90 16 passes rapides

matériau

(3 plaques)

grave bitume

0/14 classe2 140 100 90 16 passes rapidesgrave bitume

0/20 classe2 140 100 90 16 passes rapidesBBM 0/10

classe 2 140 40 90 8 passes rapides




S o n d e à 3 8 m m d e p r o fo n d e u rl ' é c a r t ty p e m o y e n p o u r te m p s > 4 0 0 " e s t d e 3 .1 ° C

0 . 02 0 . 04 0 . 06 0 . 08 0 . 0

1 0 0 . 01 2 0 . 01 4 0 . 01 6 0 . 0

0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0

t e m p s (s )

tem

p

é ratu

re

( ° c )

re p 1

re p 2

re p 3

re p 4

re p 5

re p 6

m o y e n n e

m + 2 E T

m -2 E T

Répétabilité sur enrobé




Influence du matériau

Sondes plac ées à 58 mm de hauteur

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

140.0

160.0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000Temps ( en secondes )

Tem

p

é ratu

re e

n

° C

BBSG 0/10GB 0/14GB 0/20

Ep. 100 mm – compacité 90 % StartTemp= 140 °C




Comparaison des durées utiles de compactage calculées par le modèle et celles déterminées par la mesure de la température à miépaisseur ( 19 essais de laboratoire)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

StopTime expérience (sec.)

Sto

pTim

e m

od

è le

( sec

.)

"pessimiste" (25 %)

"optimiste" (75 %)




Premiers essais sur chantier

Sondes placées sur le côté de la couche compactée à différentes

profondeurs

Matériau (épaisseur, compacité, conductivité)

Conditions météo (températures ambiante et support, vitesse vent)

Température de répandage et de fin de compactage




Premiers essais sur chantier




Poursuite de la recherche

Évaluation de la prise en compte des caractéristiques

thermiques du mélange (chaleur massique, conductivité)

Validation du modèle sur chantiers réels

étude de l’influence des principaux facteurs

(épaisseur, matériau, conditions météorologiques,

température de répandage), observation des

écarts obtenus (modèle/mesure)

Développement d’un produit industriel (partenariat)




Conclusions

Modèle simple (temps de calcul court)

Bonne cohérence entre prédiction et réalité (cas de

chantiers à élargir)

Détermination précise de la durée utile de compactage

Paramétrage simple du modèle (épaisseur de la couche)

Traçabilité possible pour une partie des conditions de

mise en œuvre (gestion de la route)

Exploitation possible pour les EBE (?)




finisseur

modèle

Vitesse vent,

θa, θs, θr

BdD

(carte)

GPS

Dc= 24’

Affichage à l’arrière du finisseur de la durée de compactage et de la tendance ( )

Affichage au conducteur du temps restant pour

finir le compactage

GPS

Autres paramètres de fabrication de mélange (traçabilité)

Le contrôleur consulte la base de données sur

son pocket PC par liaison Wifi