Enrobés à performances élevés (HPAC) pour régions froides: GB5 ® François Olard EIFFAGE Infrastructures, Directeur recherche et innovation Montreal, 30 septembre, 2016
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…
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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%)
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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)
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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
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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
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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?
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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]
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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
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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
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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
Empilement granulaire
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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
Empilement granulaire
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Proposition d’une méthode pour l’optimisation de l’empilement
Utilisation de la PCG (20 girations)
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Stage 1
Proposition d’une méthode pour l’optimisation de l’empilement
0/4mm fraction is ‘dominant’
10/14mm fraction is ‘dominant’
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Stage 1
Stage 2
Proposition d’une méthode pour l’optimisation de l’empilement
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Stage 2Stage 3
Proposition d’une méthode pour l’optimisation de l’empilement
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Proposition d’une méthode pour l’optimisation de l’empilement
- 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
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‘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)
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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
ISAP 2016 SYMPOSIUM & 53rd PARC - Jackson (WY) 26
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)
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Principe de discréditation de Dirichlet
Analyse d’image
ISAP 2016 SYMPOSIUM & 53rd PARC - Jackson (WY) 28
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.
ISAP 2016 SYMPOSIUM & 53rd PARC - Jackson (WY) 29
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
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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%
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2010: des sections GB5®
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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
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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
2011: GB5® roadworks on A43 & A41N highways 31,000T with PMB Biprene® & HiPMB Orthoprene®
4.4% de vides
35 GB5® High-Performance Asphalts ─ Montreal, September 30, 2016
2011: GB5® roadworks on A43 & A41N highways 31,000T with PMB Biprene® & HiPMB Orthoprene®
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
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2011: GB5® roadworks on A43 & A41N highways 31,000T with PMB Biprene® & HiPMB Orthoprene®
Granulo continue 0/14mm
0/14mm (4/10mm discontinue)
37 GB5® High-Performance Asphalts ─ Montreal, September 30, 2016
2012: In-situ follow-up of GB5® & EME2 on A41N highway
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2013-14: GB5® près de la frontière France-Suisse
39 GB5® High-Performance Asphalts ─ Montreal, September 30, 2016
2014: GB5® roadworks, ETHEKWINI METRO (Afrique du sud)
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Plusieurs autres applications…
Ports
Voies ferrées
Aéroports
Ponts
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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
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- 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
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Perspectives
- Implentation desGB5® dans d’autres pays (validation avec d’autres matériaux, climat…).
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Shoot for the moon. Even if you miss, you'll land among the stars (Oscar Wilde )
Merci de votre attention