Brevet FR2483938A1 — publié le 19811211

l 2483938 La présente invention concerne des mélanges bitumineux à très hautes performances,leur procédé d'obtention et leur applica- tion. Dans tous les pays,la réglementation routière autorise la circulation de véhicules dotés d'essieux -lourds même si la limite est plus ou moins élevée selon les pays0La présence de telles charges rend nécessaire l'emploi de mélanges bitumineux à forte résistance au fluage sur les chaussées à trafic lourd et intense. Il est essentiel d'assurer une durée de service suffisante. Cela implique l'utilisation d'une quantité importante de mélange bitumineux. Cependant, diverses contraintes rendent parfois nécessaire l'application d' une épaisseur de mélange bitumineux bien plus fai- ble que l'épaisseur de mélange bitumineux classique indispensable pour atteindre la durée de service nécessaire. Les caractéristiques d'un mélange bitumineux ayant,à épaisseur réduite,le même effet qu'un mélange bitumineux classique en épaisseur normale, doivent être améliorées dans deux domaines: -celui du module en flexion qui doit être accru; -celui de la capacité de déformation sous charges répétées qui doit être augmentée.- La présente invention a pour 'objet des mélanges bitumineux à très hautes performances,qui satisfont aux conditions exposées ci-dessus tant dans le domaine de la résistance au fluage que dans les domaines du module et de la résistance à la fatigué. Il est bien connu que trois paramètres principaux déterminent la composition des mélanges bitumineux,à savoir: -le volume d'agrégats VA le volume de liant VL le volume de vides v Dans le rapport du XVI Congrès Mondial de la Route du 16 au 2 2483938 21 Septembre 1979 à Vienne (Autrich3),il a été précisé ce qui suit: - les mélanges bitumineux qui résistent le mieux à l'ornié- rage sont ceux dont la susceptibilité du module en compression à la température est aussi faible que possibles *cette condition peut notamment être satisfaite par l'emploi de bitumes durs,la recherche d'un grand rapport entre la teneur volumique en granulats et la teneur volumique en liant (VA/VL) et un faible pourcentage de vide (v); -les mélanges bitumineux résistant à l'orniérage et satisfai- sant à la condition énoncée ci-dessus (VA/VL grand, v petit, bitume dur),s'ils sont posés en épaisseur adéquate,résistent égale- ment à la fissuration par fatigue. En matière de fatigue,il faut toutefois éviter l'utilisation de bitumes trops durs (soit natu- rellement,soit par vieillissement) dont les compositions pourraient être le siège de fissurations d'origine thermique; - -outre les caractéristiques du bitume,les deux paramètres de composition régissant le phénomène de fatigue et le phénomène de déformation permanente sont le rapport VA/VL et le pourcentage de vides v. L'obtention simultanée d'un grand rapport VA/VL et d'un faible pourcentage de vides v est conditionnée par la granulométrie, la forme des granulats et l'efficacité du compactage; -tout mélange réalisant un grand rapport VA/VL mais un grand pourcentage de vides v peut être résistant à l'orniérage mais faible vis-à-vis de la fissuration et de la durabilité en général. Par ailleurs,les recherches effectuées par la demanderesse ont abouti aux conclusions suivantes: -les mélanges caractérisés par une faible teneur en liant nécessaire à l'obtention d'un grand rapport VA/VL possèdent un module de rigidité dont la valeur est élevée et une forte résistance au fluage; -de tels mélanges ont une résistance à la fatigue d'autant plus réduite que leur module de rigidité est plus -levé. 3, La demanderesse a ainsi constaté qu'une orientation des re- cherches selon l'opinion couramment répandue ne permettait pas d'obtenir des mélanges bitumineux à très hautes performances. Contrairement aux enseignements de la technique antérieure,la demanderesse s'est engagée dans une voie inattendue et elle a trouvé de façon très surprenante que l'emploi d'un bitume très dur ne présentait pas d'inconvénient du point de vue de la fissuration, contrairement aux connaissances actuelles,à condition de faire - appel à un dosage en liant élevé. Selon l'invention,on a ainsi obtenu des résultats à la fois inattendus et remarquables en utilisant des bitumes très durs à des dosages très élevés, ce qui conduit à des valeurs relativement faibles de VA/VLo L'état actuel de la technique ne permettait pas de prévoir que de tels mélanges bitumineux dont la composition est différente de ce qui était préconisé donneraient satisfaction. Les mélanges bitumineux selon la présente invention présentent: -un module de rigidité très élevé; -une très grande capacité de déformation sous charges alter- nées; -une très forte résistance au fluage. Il s'agit là des caractéristiques recherchées pour des mélanges bitumineux à très hautes performances. Conformément à la présente invention,les mélanges bitumineux à très hautes performances résistant à l'orniérage et à la fissura- tion sont caractérisés en ce qu'ils sont constitués d'une composi- tion granulaire à base de granulats de roche dure et d'un liant composé de bitumes très durs et d'éventuels additifs,utilisé à do- sage correspondant à un module de richesse corrigé compris dans la gamme de 3,8 à 4,5 conformément à la relation: teneur en liant = K C. y o =surface spécifique conventionnelle des granulats = 0,25 G + 2,3 S + 12 s + 135 f, en m2/kg avec les proportions pondérales: G des éléments supérieurs à 6 mm S des éléments compris entre 6 et 0,315 mm s des éléments compris entre 0,315 et 0,08 mm f des éléments inférieurs à 0,08 mm K = module de richesse corrigé c = coefficient correcteur destiné à tenir compte de la masse égal volumique des granulats, c( étant/a 2, 65/masse volumique du granulato Il y a lieu d'observer que,selon la présente invention,on peut utiliser des granulats de diverses natures. Les granulats qui conviennent le mieux sont les porphyres,les calcaires et analogues. Diverses caractéristiques spécifiques prises isolément ou en combinaison des mélanges bitumineux de la présente invention sont énumérées ci- après: -la composition granulaire comprend des gravillons 10/20, 6/10, 2/6,un sable 0/2 et un filler calcaire mélangés dans les proportions suivantes: Gravillons..........10/20 35 à 45% 6/10 10 à 20% 2/6 10 à 15 % Sable.......... 0/2 25 à 35% filler............. 0 à 5% le mélange ainsi constitué étant un 0/20 (2% de refus au tamis de mm d'ouverture de mailles)" -le liant a une température bille et anneau de 70 à 90 C, une pénétrabilité à 25 C de 5 à 20,un indice de pénétration PFEIFFER > et une température d'enrobage de l'ordre de 175 C; -le module de rigidité est compris dans la gamme de 160.000 à 240.000 bars (16 à 24 x 10 pascali); la capacité de déformation sous charges alternées est comprise dans la gamme de 200 à 300 D; (pD = microdéformations) -la résistance au fluage est comprise dans la gamme de 1 à 6mm après 100.000 cycles dans l'essai d'orniérage L.P.C. pratiqué à 50 C sur des plaques de 10 cm d'épaisseur; -l'additif éventuel ajouté au liant est généralement un copo- lymère séquencé styrène-butadiène-styrène ou d'éthylène-acétate de vinyle. La présente invention concerne également un procédé d'obtention de tels mélanges bitumineux qui consiste à chauffer le mélange de granulats à une température d'environ 160 à 190 C et à incorporer dans lesdits granulats le liant à une température comprise dans la gamme de 170 à 200 C puis Mnalaxer le mélange pendant 20 à 60 secondes. Selon d'autres caractéristiques de la présente inventionles granulats sont entièrement secs et chauffés,leur teneur en eau étant inférieure à 0,5%o Le procédé de l'invention consiste en outre à incorporer l'additif éventuel directement dans le mélange.ou au préalable dans le liant avant le malaxage et l'incorporation du liant dans les granulatso Cet additif éventuel est habituellement un copolymère séquencé de styrène-butadiène-styrène ou d'éthylène-acétate de vinyle. La présente invention est aussi relative à l'application de tels mélanges bitumineux à raison d'une épaisseur d'environ 8 à 20 cm,plus généralement comprise entre 10 et 15 cm. La mise au point des mélanges bitumineux selon l'invention diffère totalement des techniques selon l'art antérieur. Cette mise au point consiste à réaliser les opérations suivantes: -pour une composition granulaire donnée et pour un liant donné,on recherche la teneur en liant maximale assurant une bonne résistance au fluage; -pour la même composition granulaire,on effectue la même recherche avec des liants de plus an plus durs ou de plus en plus chargés en polymères. Conformément à ces études.bn a trouvé une bonne résistance au fluage pour un dosage en liant correspondant à un module de richesse corrigé. comdpris antre 3,8 et 4,5. Les exemples ci-après illustrent la présente invention sans aucunement la limiter. EXEMPLE 1 A.Granulats Les granulats utilisés sont des gravillons -10/20, 6110, 2/6, un sable 0/2 et un filler calcaire. Les gravillons et le sable proviennent de la carrière de la Meillerrie-Tillay en Vendée. Le filler est un filler calcaire couramment utilisé dans les formules granulaires. B. Caradéristiques des granulats Des échantillons ont été prélevés sur les stocks existant en carrière en vue d'une étude préalable. Les essais d'identification pratiqués sur ces échantillons ont donné les résultats indiqués dans le tableau ci-après. Le sable 0/2 contient 16% de fines. Son équivalent de sable 49,est très nettement supérieur au minimum exigé pour les sables, contenant plus de 15% de filler pour la réalisation d'es assises de chaussées: soit 35. La texture des faces,granuleuse,est un élément favorable à la résistance à l'orniérage. Le coefficient Los Angeles a une valeur inférieure à 11. Les gravillons ont une dureté qui satisfait aux spécifications pour couches de roulementy compris dans le cas des trafics les plus lourds et les plus intenses, Les quatre fractions granulaires sont entièrement concasséeso Les granulats sont mélangés dans les proportions suivantes: Gravillons.... ....10/20 35 à 45 % Gravillons...........6/10 10 à 20% Gravillons.........DTD: ..2/6 10 à 15% Sable........... 0/2 25 à 35% Filler............. 0 à 5% Le mélange ainsi constitué est un 0/20 = 2% de refus à 20mmo..DTD: Sa composition granulométrique est indiquée dans le tableau ci- dessous: Côté des mailles des tamis en n m 12,5 4,0 2,0 1,0 0,500 0,200 0, 080 Pourcentage d'éléments passant aux tamis 73 - l1 8,4 EXEMPLE 2- Liant Le liant utilisé est composé à partir de bitumes de distilla- tion directe et d'additif. Il est spécialement préparé pour la fabrication de graves-bitume à très hautes performances. - Les caractéristiques du bitume spécial sont comparées,dans le tableau 2, à celles de trois bitumes routiers témoins qui couvrent la gamme de l'ensemble des bitumes routiers classiqueso TABLEAU 1 : 10/20. 6/llO.2__4 Q?, SPECIFICATIONS filler Nature: microdiorite L.A. en fonction des: : tclasses du trafic calcaire : | définies dans le Catalogue de Structures - Poids spécifique des grains 2,91: 2,9 -types de chaussées - (édition 1977) Pourcentage d'éléments insolubles: dans l'acide chlorhydrique 100 T1 à T3, TO0 Coefficient LOS ANGELES: 6 à 11 grail s. p cE.Sen fonction du. Coefficient de forme des.pour en tage de gra v'llons-.. àailn.. à .................- filler dans la---------------------- Angularité: Entièrement concassé fraction 0/2 - À: :2À 12 6. Texture des faces granuleuse 12% 15% 5% %: 5% Equivalent de sable mesuré sur le sable lui-même -: 49 >45 >40.> 35 :: : COc w, co w Co TABLEAU 2 LIANTS Bitume de l'invention Bitumes témoins /30 60/70 180/220 Température bille et anneau Pénétrabilité à 25 C Indice de pénétration PFEIFFER Température d'enrobage à 90 C à 20 >1 1.75 0 C 52-65 C -0,3 C, 43-560C -0,3 'C 39-48 C -0,5 C N CO Co . ... La température bille et anneau,plus élevée que celle du 20/30, indique que le liant spécial reste plus consistant que le 20/30 à une température élevée (60 C),ce qui permet d'obtenir la non- déformation du revêtement par fluage. La température d'enrobage du liant spécial est de 175 C,légè- rement supérieure à la température d'enrobage d'un bitume 20/30. EXEMPLE 3- Essais de comportement On effectue les essais suivants: -détermination des caractéristiques que l'enrobé aura en place dans l'immédiat et vérification de la tenue à l'eau des enrobés (essai DURIEZ dilaté selon modes opératoires Juin 1979 du Laboratoi- re Central des Ponts et Chaussée4, -détermination des caractéristiques que l'enrobé en place aura à terme (essai Marshall) selon modes opératoiresDécembre 1972 du Laboratoire Central des Ponts et Chausséeo vérification de la tenue à l'orniérage; -détermination des caractéristiques en traction pure. Les caractéristiques générales sont les suibantes: -dosage en liant retenu (P)..........6% -densité théorique (DT.O........... 2,66 -surface spécifique Z =13,2 m2/kg; = 1,67 -module de richesse corrigé: K = 291 6 395 2 65 1,67 1-Essais Duriez67 a) Caractéristiques des éprouvettes tyre "DURIEZ DILATE" Des essais de comportement sont effectués sur les éprouvettes "Duriez Dilaté" pour montrer que les mélanges bitumineux de l'inven- tion sont satisfaisants. Les mélanges préparés sont malaxés pendant une minute environo Les éprouvettes sont réalisées en maintenant une charge de 18 tonnes pendant 5 minutes,puis elles sont démoulées 24 heures après leur confection. On les classe ensuite de façon à constituer trois séries dont la densité moyenne est la mêmeo Leurs caractéris- tiques sont les suivantes: Densité apparente hydrostatique (Da)..... 2,25 Pourcentage de vides (V)........... ......... 4% Compacité (C).........96% Coefficient de remplissage (CR)....DTD: .......... 77% b)Immersion-compression La première série de 3 éprouvettes est écrasée après 7 jours..DTD: de conservation-à l'air après démoulage. L'effort maximum à la rupture en compression simple,ramené à la surface de la section droite de l'éprouvette,à 18 C et 1 mm/s après conservation pendant 8 joursà l'air, Rc,s'élève à 220 bars. La deuxième série de 3 éprouvettes est immergéeaprès dégazage, durant 7 jours'au bout desquels on la sort de l'eau. Les éprouvettes sont écrasées,puis la teneur en eau est déterminée. Les mesures donnent les résultats suivants: -l'effort maximum à la rupture en compression simple,ramené à la surface de la section droite de l'éprouvette,à 18 C et 1 mm/s, après conservation pendant 24 heures dans l'air plus 7 jours dans l'eau (R'd)s'élève à 221 barso -la teneur en eau au moment de l'écrasement après immersion est de 0,4% -le coefficient de ré duction immersion-compression ic= R'c/Rc= 10 Compression diamétrale Une autre série de 3 éprouvettes est conservée durant 8 jours à l'air puis écrasée en compression diamétrale à 18 C et 1 mm/s: l'effort maximal en compression diamétrale Rt s'élève à 55 bars. Les mélanges bitumineux de l'invention sont excellents tant du point de vue de la résistance en compression simple et en compres- sion diamétrale que de leur tenue à l'eau. 3. Essais Marshall Les essais réalisés dans les conditions normalisées ont donné les résultats ci-après: Nombre de coups donnés 50 lO0 Densité apparente hydrostatique 2,54 2,57 lO Compacité (c) 95,5% 96,6% Vides (V) 4,5% 3,4% Stabilité (daN) 2900 3100 4o. Essai d'orniérage La tenue à l'orniérage est examinée en simulant l'action du trafic à l'aide d'un orniéreur sur des plaques de 500 x 180 x l06,mm fabriquées en laboratoire. a) Caractéristiques des éprouvettes Les essais sont effectués sur deux plaques de 10 cm compactées, en cherchant à obtenir 100% de la compacité. Les caractéristiques des plaques sont les suivantes: épaisseur (cm) 10 densité apparente géométrique 2,55 compacité relative par rapport à la densité DURIEZ 102% Pourcentage de vides géométriques 4% b)Conditions de l'essai Les essais sont réalisés en appliquant une charge de 500 daN par l'intermédiaire d'une roue dont le pneumatique est gonflé à 6 bars et qui est animée d'un mouvement alternatif de translation à la fréquence de I Hz, durant 100 000 cycles ( -200 000 passages) à 50 C conformément aux normes d'essai pour les mélanges destinés à des assises de base. Pression de gonflage 6 bars Charge appliquée 500 daN Angle de ripage 0 Fréquence du mouvement 1 Hz Température 50 C c)Mesute de la profondeur d'ornière La profondeur des ornières est mesurée en comparant,au relevé initial,les relevés établis sur trois profils,à l'aide d'un minitransversoprofilographe,après avoir soumis chaque éprouvette à: 1500 cycles ou 3000 passages de roues 6000 cycles ou 12000 passages de roues 25000 cycles ou 50000 passages de roues 100000 cycles ou 200 000 passages de roues Les résultats obtenus sont exprimés en mm dans le tableau cidessous: Nombre de cycles Enfoncement en mm par rapport au profil initial 400 1,2 1500 1,8 6000 2,8 25000 3,7 100000 4,4 La profondeur très limitée de 1 ' ornière: 4,4 mm à 50 C, indique un comportement remarquable pour les mélanges bitumineux de l'invention même si le revêtement est mince. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation repré- sentés et décrits en détails et diverses variantes peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS loMélanges bitumineux à très hautes performances résistant à l'orniérage et à la fissuration,caractérisés en ce qu'ils sont constitués d'une composition granulaire à base de granulats de roche dure et d'un liant composé de bitumes très Jurs et d'éventuels additifs appliqués à un dosage correspondant à un modu- le de richesse corrigé compris dans la gamme de 3,8 à 4,5 conformé- ment à la relation: teneur en liant = K X o o b= surface spécifique conventionnelle des granulats =0,25 G + 2,3 S + 12 s + 135 f, en m2/kg avec les proportions pondérales: G des éléments supérieurs à 6 mm S des éléments compris entre 6 et 0,315 mm s des élé ments compris entre 0,315 et 0,08 mm f des éléments inférieurs à 0,08 mm K = module de richesse corrigé i = coefficient correcteur destiné à tenir compte de la masse volumique des granulats,p étant égal à 2,65 / masse volumique du granulat. 2.Mélanges bitumineux selon la revendication l,caractérisés en ce que le liant a une température bille et anneau de 70 à C,une pénétrabilité à 25 C de 5 à 20,un indice de pénétration PFEIFFER > I et une température d'enrobage de 175 C. 3. Mélanges bitumineux selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2,caractérisés en ce que le module de rigidité est compris dans la gamme de 160.000 à 240.000 bars (16 à 24 x: 10 Pa) 4. Mélanges bitumineux selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,caractérisés en ce que la capacité de déformation sous charges alternées est comprise dans la gamme de 200 à 300 t. 5. Mélanges bitumineux selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,caractérisés en ce que la résistance au fluage est comprise dans la gamme de 1 à 6 mm. 6o Mélanges bitumineux selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5,caractérisés en ce que l'additif utilisé est un copolymère séquencé styrène-butadiène-styrène ou d'éthylène acétate de vinyle. 7. Mélanges bitumineux selon l'une quelconque des revendications 1 à 6,caractérisés en ce que la composition granulaire comprend des gravillons 10/20, 6/10, 2/6, un sable 0/2 et un filler calcaire mélangés dans les proportions suivantes: Gravillons.......... 10/20 35 à 45% Gravillons........6/10. 10 à 20% Gravillons............ 2/6 10 à 15% Sable.............. 0/2 25 à 35% Filler.................... 0 à 5% le mélange ainsi constitué étant un 0/20 (2% de refus au tamis de mm d'ouverture). 8.Procédé d'obtention de mélanges bitumineux selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 7,caractérisé en ce qu'il consiste à chauffer le mélange de granulats à une température d'environ 160 à 190 C et à incorporer dans lesdits grçnulats le liant à une température comprise dans la gamme de 170 à 200 C puis à malaxer le mélange pendant 20 à 60 secondes. 9.Procédé selon la revendication 8,caractérisé en ce que les granulats sont entièrement secs et chauffés,leur teneur en eau étant inférieure à 0,5%. 10.Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9,ca- ractérisé en ce qu'il consiste en outre à incorporer un copolymère directement dans le mélange ou au préalable dans le liant avant le malaxage et l'incorporation du liant dans les granulats. ll.Application des mélanges bitumineux selon l'une quelconque des revendications 1 à 7,à raison d'une épaisseur d'environ 8 à 20cm, plus généralement comprise entre 10 et 15 cm.