Béton bitumineux

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Une machine de pose de béton bitumineux, alimentée par un camion benne

Le béton bitumineux (communément appelé asphalte , [1] bitume ou chaussée en Amérique du Nord, et tarmac , macadam bitumineux ou asphalte roulé au Royaume-Uni et en République d'Irlande) est un matériau composite couramment utilisé pour recouvrir les routes , les parkings , aéroports , et le noyau des barrages en remblai . [2] Les mélanges d'asphalte sont utilisés dans la construction de chaussées depuis le début du XXe siècle. [3] Il est constitué d' agrégats minéraux liésavec de l' asphalte , posé en couches et compacté. Le processus a été affiné et amélioré par l'inventeur belgo-américain Edward De Smedt . [4]

Les termes béton asphaltique (ou asphaltique ) , béton bitumineux et mélange bitumineux ne sont généralement utilisés que dans les documents d' ingénierie et de construction, qui définissent le béton comme tout matériau composite composé d'agrégats minéraux collés avec un liant. L'abréviation, AC , est parfois utilisée pour le béton bitumineux mais peut également désigner la teneur en asphalte ou ciment bitumineux , se référant à la portion d'asphalte liquide du matériau composite.

Formulations de mélange

Comme le montre cette coupe transversale, de nombreuses chaussées plus anciennes sont lissées en appliquant une fine couche de béton bitumineux sur le béton de ciment Portland existant , créant ainsi une chaussée composite .

Le mélange d'asphalte et de granulat s'effectue de l'une des manières suivantes : [5]

Béton bitumineux mélangé à chaud (couramment abrégé en HMA)
Ceci est produit en chauffant le liant d'asphalte pour diminuer sa viscosité et en séchant l'agrégat pour en éliminer l'humidité avant le mélange. Le mélange est généralement effectué avec l'agrégat à environ 300 ° F (environ 150 ° C) pour l'asphalte vierge et 330 ° F (166 ° C) pour l'asphalte modifié aux polymères, et le ciment d'asphalte à 200 ° F (95 ° C). Le pavage et le compactage doivent être effectués lorsque l'asphalte est suffisamment chaud. Dans de nombreux pays, le pavage est limité aux mois d'été car en hiver, la base compactée refroidira trop l'asphalte avant qu'il ne puisse être compacté à la densité requise. Le HMA est la forme de béton bitumineux la plus couramment utilisée sur les chaussées à fort trafic telles que celles des autoroutes principales , des hippodromes et des aérodromes .. Il est également utilisé comme revêtement environnemental pour les décharges, les réservoirs et les étangs d'écloserie. [6]
Machine de pose de béton bitumineux en fonctionnement à Laredo, Texas
Béton bitumineux tiède (couramment abrégé en WMA)
Ceci est produit en ajoutant des zéolithes , des cires , des émulsions d'asphalte ou parfois même de l'eau au liant d'asphalte avant le mélange. Cela permet des températures de mélange et de pose nettement inférieures et entraîne une moindre consommation de combustibles fossiles , libérant ainsi moins de dioxyde de carbone , d ' aérosolset vapeurs. Non seulement les conditions de travail sont améliorées, mais la température de pose plus basse entraîne également une disponibilité plus rapide de la surface à utiliser, ce qui est important pour les chantiers de construction aux horaires critiques. L'utilisation de ces additifs dans l'asphalte mélangé à chaud (ci-dessus) peut permettre un compactage plus facile et permettre un pavage par temps froid ou des trajets plus longs. L'utilisation d'enrobés tièdes se développe rapidement. Une enquête auprès des producteurs d'asphalte américains a révélé que près de 25 % de l'asphalte produit en 2012 était un enrobé tiède, soit une augmentation de 416 % depuis 2009. [7] Des chaussées routières plus propres peuvent être potentiellement développées en combinant le WMA et le recyclage des matériaux. La technologie Warm Mix Asphalt (WMA) présente des avantages environnementaux, de production et économiques. [8]
Béton bitumineux à froid
Ceci est produit en émulsifiant l'asphalte dans l'eau avec un agent émulsifiant avant de le mélanger avec l'agrégat. Dans son état émulsifié, l'asphalte est moins visqueux et le mélange est facile à travailler et compact. L'émulsion se rompra après qu'une quantité suffisante d'eau se sera évaporée et l'enrobé à froid prendra, idéalement, les propriétés d'un revêtement en enrobé à chaud. Le mélange à froid est couramment utilisé comme matériau de rapiéçage et sur les routes de service moins fréquentées.
Béton bitumineux fluidifié
Est une forme d' enrobé à froid produit en dissolvant le liant dans du kérosène ou une autre fraction plus légère de pétrole avant de le mélanger avec l'agrégat. À l'état dissous, l'asphalte est moins visqueux et le mélange est facile à travailler et compact. Une fois le mélange déposé, la fraction la plus légère s'évapore. En raison de problèmes de pollution par les composés organiques volatils dans la fraction plus légère, l'asphalte fluidifié a été largement remplacé par l'émulsion d'asphalte. [9]
Béton d'asphalte coulé ou asphalte en feuille
Ceci est produit en chauffant du bitume soufflé de qualité dure (c'est-à-dire partiellement oxydé) dans un cuiseur vert (mélangeur) jusqu'à ce qu'il devienne un liquide visqueux, après quoi le mélange d'agrégats est ensuite ajouté.
Le mélange de granulats de bitume est cuit (maturé) pendant environ 6 à 8 heures et une fois qu'il est prêt, le malaxeur d'asphalte coulé est transporté sur le chantier où des couches expérimentées vident le malaxeur et déposent à la machine ou à la main le contenu d' asphalte coulé sur le route. Le béton d'asphalte coulé est généralement posé sur une épaisseur d'environ 341+316  pouces (20–30 mm) pour les applications sur les trottoirs et les routes et environ 38 de pouce (10 mm) pour les applications de revêtement de sol ou de toit.
Béton bitumineux à module élevé, parfois désigné par l'acronyme francophone EMÉ (enrobé à module élevé)
Celui-ci utilise une formulation bitumineuse très dure (pénétration 10/20), parfois modifiée, dans des proportions proches de 6 % en poids des granulats, ainsi qu'une forte proportion de poudre minérale (entre 8 et 10 %) pour créer un béton bitumineux. couche à haut module d'élasticité (de l'ordre de 13000  MPa). Cela permet de réduire l'épaisseur de la couche de base jusqu'à 25 % (selon la température) par rapport à un bitume classique, [10] tout en offrant des résistances à la fatigue très élevées. [11] Les couches d'enrobés à haut module sont utilisées à la fois dans les opérations de renforcement et dans la construction de nouveaux renforcements pour trafic moyen et lourd. Dans les couches de base, ils ont tendance à présenter une plus grande capacité d'absorption des tensions et, en général, une meilleure résistance à la fatigue.[12]

En plus de l'asphalte et des granulats, des additifs, tels que des polymères et des agents anti-décapage peuvent être ajoutés pour améliorer les propriétés du produit final.

Les zones pavées de béton bitumineux - en particulier les aires de trafic des aéroports - ont parfois été appelées "le tarmac", bien qu'elles n'aient pas été construites selon le procédé tarmacadam . [13]

Une variété de mélanges de béton bitumineux spécialisés ont été développés pour répondre à des besoins spécifiques, tels que l'asphalte à matrice pierreuse , qui est conçu pour assurer une surface d'usure très résistante, ou les revêtements en asphalte poreux , qui sont perméables et permettent à l'eau de s'écouler à travers le revêtement pendant contrôler les eaux pluviales.

Caractéristiques de performance

Un taxiway d'aéroport , une des utilisations du béton bitumineux

Différents types de béton bitumineux ont des caractéristiques de performance différentes en termes de durabilité de la surface, d'usure des pneus, d'efficacité de freinage et de bruit de la chaussée . En principe, la détermination des caractéristiques de performance appropriées de l'asphalte doit tenir compte du volume de trafic dans chaque catégorie de véhicules et des exigences de performance de la couche de friction.

Le béton bitumineux génère moins de bruit de la chaussée qu'une surface en béton de ciment Portland et est généralement moins bruyant que les surfaces d' étanchéité à copeaux . [14] [15] Parce que le bruit des pneus est généré par la conversion de l'énergie cinétique en ondes sonores , plus de bruit est produit à mesure que la vitesse d'un véhicule augmente. L'idée que la conception des autoroutes pourrait tenir compte de considérations d'ingénierie acoustique, y compris la sélection du type de revêtement de surface, est apparue au début des années 1970. [14] [15]

En ce qui concerne les performances structurelles, le comportement de l'asphalte dépend de divers facteurs, notamment le matériau, la charge et les conditions environnementales. De plus, les performances des chaussées varient dans le temps. Par conséquent, le comportement à long terme de la chaussée en asphalte est différent de sa performance à court terme. Le LTPP est un programme de recherche de la FHWA , qui se concentre spécifiquement sur le comportement à long terme des chaussées. [16] [17]

Dégradation et restauration

Asphalte endommagé par les soulèvements de gel

La détérioration de l'asphalte peut inclure la fissuration de crocodile , les nids -de-poule , les soulèvements, l'effilochement, le saignement , l' orniérage , le bousculage, le décapage et les dépressions. Dans les climats froids, les soulèvements de gel peuvent fissurer l'asphalte même en un hiver. Le remplissage des fissures avec du bitume est une solution temporaire, mais seuls un compactage et un drainage appropriés peuvent ralentir ce processus.

Les facteurs qui entraînent la détérioration du béton bitumineux au fil du temps relèvent principalement de l'une des trois catégories suivantes : qualité de la construction, considérations environnementales et charges de trafic. Souvent, les dommages résultent de combinaisons de facteurs dans les trois catégories.

La qualité de la construction est essentielle à la performance de la chaussée. Cela comprend la construction de tranchées utilitaires et d'accessoires qui sont placés dans la chaussée après la construction. Le manque de compactage de la surface de l'asphalte, en particulier sur le joint longitudinal, peut réduire la durée de vie d'une chaussée de 30 à 40 %. On a dit que les tranchées de service dans les chaussées après la construction réduisaient la durée de vie de la chaussée de 50%, principalement en raison du manque de compactage dans la tranchée, et aussi en raison de l'intrusion d'eau à travers des joints mal scellés .

Les facteurs environnementaux comprennent la chaleur et le froid, la présence d'eau dans la sous- couche ou le sol de fondation sous-jacent à la chaussée et le soulèvement dû au gel.

Les températures élevées ramollissent le liant d'asphalte, permettant à de lourdes charges de pneus de déformer la chaussée en ornières. Paradoxalement, une chaleur élevée et un fort ensoleillement provoquent également l'oxydation de l'asphalte, qui devient plus rigide et moins résistant, entraînant la formation de fissures. Les températures froides peuvent provoquer des fissures lorsque l'asphalte se contracte. L'asphalte froid est également moins résistant et plus vulnérable à la fissuration.

L'eau emprisonnée sous la chaussée ramollit la sous-couche et le sous-sol, rendant la route plus vulnérable aux charges de trafic. L'eau sous la route gèle et se dilate par temps froid, provoquant et agrandissant les fissures. Lors du dégel printanier, le sol dégèle de haut en bas, de sorte que l'eau est emprisonnée entre le trottoir au-dessus et le sol encore gelé en dessous. Cette couche de sol saturé fournit peu de support pour la route au-dessus, entraînant la formation de nids de poule. C'est plus un problème pour les sols limoneux ou argileux que pour les sols sablonneux ou graveleux. Certaines juridictions adoptent des lois sur le gel pour réduire le poids autorisé des camions pendant la saison de dégel printanier et protéger leurs routes.

Les dommages causés par un véhicule sont à peu près proportionnels à la charge par essieu élevée à la quatrième puissance, donc doubler le poids d'un essieu cause en fait 16 fois plus de dommages. [18] Les roues font légèrement fléchir la route, ce qui entraîne des fissures de fatigue , qui conduisent souvent à des fissures de crocodile. La vitesse du véhicule joue également un rôle. Les véhicules qui se déplacent lentement sollicitent la route sur une plus longue période de temps, augmentant les ornières, les fissures et les ondulations de la chaussée en asphalte.

D'autres causes de dommages comprennent les dommages causés par la chaleur des incendies de véhicules ou l'action des solvants des déversements de produits chimiques.

Prévention et réparation des dégradations

Machine à sceller la chaussée en asphalte

La durée de vie d'une route peut être prolongée grâce à de bonnes pratiques de conception, de construction et d'entretien. Lors de la conception, les ingénieurs mesurent le trafic sur une route, en accordant une attention particulière au nombre et aux types de camions. Ils évaluent également le sous- sol pour voir quelle charge il peut supporter. Les épaisseurs de chaussée et de fondation sont conçues pour supporter les charges des roues. Parfois, des géogrilles sont utilisées pour renforcer la sous-base et renforcer davantage les routes. Le drainage, y compris les fossés , les égouts pluviaux et les drains souterrains, est utilisé pour évacuer l'eau de la plate-forme, l'empêchant d'affaiblir la sous-couche et le sous-sol.

L'enrobage d'asphalte est une mesure d'entretien qui aide à garder l'eau et les produits pétroliers hors de la chaussée.

L'entretien et le nettoyage des fossés et des égouts pluviaux prolongeront la durée de vie de la route à peu de frais. Le scellement de petites fissures avec un scellant bitumineux empêche l'eau d'élargir les fissures par le gel ou de s'infiltrer dans la sous-base et de la ramollir.

Pour les routes un peu plus dégradées, un joint d' étanchéité ou un traitement de surface similaire peut être appliqué. À mesure que le nombre, la largeur et la longueur des fissures augmentent, des réparations plus intensives sont nécessaires. Par ordre de dépenses généralement croissantes, il s'agit des revêtements d'asphalte minces, des revêtements à couches multiples, du meulage de la couche supérieure et du revêtement, du recyclage sur place ou de la reconstruction en profondeur de la chaussée.

Il est beaucoup moins coûteux de maintenir une route en bon état que de la réparer une fois qu'elle s'est détériorée. C'est pourquoi certains organismes accordent la priorité à l'entretien préventif des routes en bon état, plutôt qu'à la reconstruction des routes en mauvais état. Les routes en mauvais état sont remises en état dans la mesure où les ressources et le budget le permettent. En termes de coût sur la durée de vie et de conditions de chaussée à long terme, cela se traduira par de meilleures performances du système. Les agences qui se concentrent sur la restauration de leurs mauvaises routes constatent souvent qu'au moment où elles les ont toutes réparées, les routes qui étaient en bon état se sont détériorées. [19]

Certaines agences utilisent un système de gestion des chaussées pour aider à prioriser l'entretien et les réparations.

Recyclage

Des morceaux de revêtement d'asphalte récupéré (RAP) sont déposés pour être recyclés.

Le béton bitumineux est un matériau recyclable qui peut être récupéré et réutilisé à la fois sur place et dans les usines d'asphalte . [20] Le composant recyclé le plus courant dans le béton bitumineux est le revêtement d'asphalte récupéré (RAP). Le RAP est recyclé à un taux plus élevé que tout autre matériau aux États-Unis. [21] Les mélanges de béton bitumineux peuvent également contenir des bardeaux d'asphalte récupérés (RAS). La recherche a démontré que le RAP et le RAS peuvent remplacer le besoin de jusqu'à 100 % de l'agrégat vierge et du liant d'asphalte dans un mélange, [22] mais ce pourcentage est généralement inférieur en raison des exigences réglementaires et des problèmes de performance. En 2019, les nouveaux enrobés bitumineux produits aux États-Unis contenaient en moyenne 21,1 % de RAP et 0,2 % de RAS. [21]

Méthodes de recyclage

Les composants d'asphalte recyclé peuvent être récupérés et transportés vers une usine d'asphalte pour être traités et utilisés dans de nouvelles chaussées, ou l'ensemble du processus de recyclage peut être effectué sur place. [20] Alors que le recyclage sur place se produit généralement sur les routes et est spécifique au RAP, le recyclage dans les usines d'asphalte peut utiliser le RAP, le RAS ou les deux. En 2019, environ 97,0 millions de tonnes de RAP et 1,1 million de tonnes de RAS ont été acceptées par les usines d'asphalte aux États-Unis. [21]

Le RAP est généralement reçu par les usines après avoir été broyé sur place, mais les chaussées peuvent également être arrachées dans de plus grandes sections et écrasées dans l'usine. Les broyages RAP sont généralement stockés dans les usines avant d'être incorporés dans de nouveaux mélanges d'asphalte. Avant le mélange, les broyats stockés peuvent être séchés et ceux qui se sont agglomérés pendant le stockage peuvent devoir être broyés. [20]

Les RAS peuvent être reçus par les usines d'asphalte en tant que déchets post-fabrication directement des usines de bardeaux, ou ils peuvent être reçus en tant que déchets post-consommation à la fin de leur durée de vie. [21] Le traitement du RAS comprend le broyage des bardeaux et le tamisage des broyats pour éliminer les particules surdimensionnées. La mouture peut également être tamisée avec un tamis magnétique pour enlever les clous et autres débris métalliques. Le RAS broyé est ensuite séché, et le liant de ciment bitumineux peut être extrait. [23] Pour plus d'informations sur le traitement RAS, les performances et les problèmes de santé et de sécurité associés, voir Bardeaux d'asphalte .

Les méthodes de recyclage sur place permettent de réhabiliter les chaussées en récupérant la chaussée existante, en remélangeant et en repavant sur place. Les techniques de recyclage sur place comprennent le frottement , le recyclage sur place à chaud, le recyclage sur place à froid et la récupération en profondeur . [20] [24] Pour plus d'informations sur les méthodes sur place, voir Road Surface .

Performance

Au cours de sa durée de vie, le liant de ciment bitumineux, qui représente environ 5 à 6 % d'un mélange de béton bitumineux typique, [25] durcit naturellement et devient plus rigide. [26] [27] [20] Ce processus de vieillissement se produit principalement en raison de l'oxydation, de l'évaporation, de l'exsudation et du durcissement physique. [20] Pour cette raison, les mélanges d'asphalte contenant du RAP et du RAS sont susceptibles de présenter une maniabilité inférieure et une sensibilité accrue à la fissuration par fatigue. [22] [23] Ces problèmes peuvent être évités si les composants recyclés sont correctement répartis dans le mélange. [26] [22]Pratiquer un stockage et une manipulation appropriés, par exemple en gardant les stocks de PAR hors des zones humides ou de la lumière directe du soleil, est également important pour éviter les problèmes de qualité. [22] [20] Le processus de vieillissement du liant peut également produire certains attributs bénéfiques, par exemple en contribuant à des niveaux plus élevés de résistance à l'orniérage dans les asphaltes contenant du RAP et du RAS. [27] [28]

Une approche pour équilibrer les aspects de performance du RAP et du RAS consiste à combiner les composants recyclés avec des granulats vierges et un liant d'asphalte vierge. Cette approche peut être efficace lorsque le contenu recyclé dans le mélange est relativement faible [26] et a tendance à fonctionner plus efficacement avec des liants vierges mous. [27] Une étude de 2020 a révélé que l'ajout de 5 % de RAS à un mélange avec un liant vierge souple de faible qualité augmentait considérablement la résistance à l'orniérage du mélange tout en maintenant une résistance adéquate à la fissuration par fatigue. [28]

Dans les mélanges à contenu recyclé plus élevé, l'ajout de liant vierge devient moins efficace et des régénérateurs peuvent être utilisés. [26] Les régénérants sont des additifs qui restaurent les propriétés physiques et chimiques du liant vieilli. [27] Lorsque les méthodes de mélange conventionnelles sont utilisées dans les usines d'asphalte, la limite supérieure de la teneur en RAP avant que les régénérateurs ne deviennent nécessaires a été estimée à 50 %. [22] La recherche a démontré que l'utilisation de régénérateurs à des doses optimales peut permettre aux mélanges avec des composants 100 % recyclés de répondre aux exigences de performance du béton bitumineux conventionnel. [22] [26]

Autres matériaux recyclés dans le béton bitumineux

Au-delà du RAP et du RAS, une gamme de déchets peut être réutilisée à la place des granulats vierges ou comme régénérateurs. Il a été démontré que le caoutchouc granulé, généré à partir de pneus recyclés, améliore la résistance à la fatigue et la résistance à la flexion des mélanges d'asphalte contenant du RAP. [29] [30] En Californie, les mandats législatifs exigent que le ministère des Transports incorpore du caoutchouc granulé dans les matériaux de pavage d'asphalte. [31] D'autres matériaux recyclés qui sont activement inclus dans les mélanges de béton bitumineux aux États-Unis comprennent les scories d'acier, les scories de haut fourneau et les fibres de cellulose. [21]

D'autres recherches ont été menées pour découvrir de nouvelles formes de déchets susceptibles d'être recyclés en enrobés bitumineux. Une étude menée en 2020 à Melbourne, en Australie, a présenté une gamme de stratégies pour incorporer des déchets dans le béton bitumineux. Les stratégies présentées dans l'étude comprennent l'utilisation de plastiques, en particulier le polyéthylène haute densité, dans les liants d'asphalte, et l'utilisation de déchets de carrière de verre, de brique, de céramique et de marbre à la place des granulats traditionnels. [32]

Les rajeunisseurs peuvent également être produits à partir de matériaux recyclés, y compris l'huile de moteur usagée, l'huile végétale usagée et la graisse végétale usagée. [26]

Voir aussi

Références

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