CE22 - Sociétés urbaines, territoires, constructions et mobilité

Pour une meilleure prise en compte de l’agressivité des chargements routiers sur les couches de roulement des chaussées – BINARY

Pour une meilleure prise en compte de l’agressivité des chargements routiers sur les couches de roulement des chaussées

Dans un contexte de vieillissement des réseaux routiers, il est important de mieux comprendre et de contrôler les mécanismes de dégradation des couches de roulement des chaussées afin d'optimiser leur conception et leur entretien. <br />Si des spécifications existent concernant l'adhérence, la texture, l'uniformité, aucune méthode de conception ne permet de définir les caractéristiques mécaniques, garantissant la durabilité des couches de surface qui supportent directement les charges du trafic.

Des approches plus rationnelles et scientifiques pour évaluer l'effet des charges de trafic sur les couches de roulement et pour la conception de ces couches

L'objectif du projet est de développer des approches plus rationnelles et scientifiques pour évaluer l'effet des charges de trafic sur les couches de roulement et pour la conception de ces dernières. <br /> Pour atteindre ces objectifs, les principaux mécanismes de détérioration des couches de roulement sous les charges du trafic, tels que le déchaussage, le décapage des particules de béton bitumineux (BB) induites par le chargement des pneus et la fissuration de haut en bas, seront étudiés. <br />Cela nécessite la résolution de trois problèmes scientifiques, qui constituent un obstacle à une meilleure prise en compte de l'agressivité des charges roulantes : <br /> <br />- mieux comprendre les champs de contraintes et de déformations générés dans la couche de roulement sous les charges du trafic, pour <br />différentes conditions de température, et aussi pendant les phases de freinage et d'accélération sur les matériaux BB. <br /> <br />- de prendre en compte l'impact du comportement des interfaces entre les couches d'enrobé, sur la redistribution des contraintes/déformations au sein de la structure, en particulier à proximité de la surface de la chaussée <br /> <br />- améliorer la prédiction de la durée de vie des couches de roulement, en étudiant et en modélisant le comportement des matériaux bitumineux sous des charges de roulement et en validant l'approche par des essais de chargement en vraie grandeur sur le manège de fatigue des structures de chaussée (échelle 1) de l'IFSTTAR. Les charges critiques seront utilisées pour estimer la durée de vie de la couche de roulement.

Pour atteindre ces objectifs, divers tests de laboratoire seront effectués, depuis les essais à micro-échelle jusqu'aux tests de structure en laboratoire, afin de reproduire les conditions de charge in situ rencontrées par les couches de roulement au cours de leur durée de vie :
- caractérisation rhéologique du mastic constituant la couche de roulement et essais de rupture locale du mastic entre deux agrégats.

- des essais rhéologiques sur les enrobés de la couche de roulement, pour caractériser leur comportement.

- des essais en laboratoire à échelle réduite, y compris des essais de roulement libre, et des essais simulant l'usure de la surface.

La réalisation d'essais en vraie grandeur sera effectuée sur l'installation du manège de fatigue de l'IFSTTAR de Nantes.

Un important travail de modélisation est également prévu, pour l'interprétation des essais en laboratoire, et la modélisation du comportement in situ des couches de roulement :

- Premièrement, sur la base des essais sur le mastic, une loi de contact visco-élastique, qui simule le comportement du mastic entre les particules, sera développée et mise en œuvre dans la modélisation par éléments discrets (DEM) code LMGC90.

- Un modèle d'éléments discrets pour les mélanges d'asphalte, basé sur les propriétés mécaniques et géométriques mesurées en laboratoire et utilisant la loi de contact précédente, sera ensuite développé dans le LMGC 90.

- Le comportement des couches de roulement sous l'effet du roulement libre (WTT) et/ou des effets de freinage/accélération (T2R), sera simulé avec le modèle mis en œuvre dans le LMGC90.

- Enfin, le LMGC90 sera utilisé pour simuler la réponse des structures de revêtement routier aux charges mobiles. Les résultats de la modélisation conduiront à la définition d'un critère d'«agressivité«.

- En parallèle, le comportement mécanique de la structure de la chaussée sera modélisé avec Viscoroute© 2.0 et le bilan environnemental sera étudié avec le logiciel Sève©.

Principaux résultats attendus :

- Une meilleure définition d'un critère d'agressivité des couches de roulement, lié aux caractéristiques des matériaux (granulométrie, forme des particules), aux performances du liant et aux épaisseurs des couches, mais aussi aux conditions de contact pneu/chaussée et aux conditions de charge.

- Une meilleure modélisation du comportement de l'interface et de son influence sur la conception de l'ensemble de la chaussée et son impact sur le bilan environnemental des solutions retenues par rapport aux solutions traditionnelles.

- Des publications scientifiques des résultats obtenus, y compris des recommandations pour la mise en œuvre de nouveaux critères de conception des couches de roulement dans les méthodes de conception des chaussées.

IMPACT SCIENTIFIQUE ATTENDU

Ce projet contribuera à améliorer les connaissances scientifiques et la compréhension des mécanismes de déformation et de diffusion des charges dans les couches supérieures des chaussées. Il conduira également à développer des essais de laboratoire représentatifs des conditions de chargement in situ (test T2R).

Les mesures in situ des distributions de pression et des déformations, avec une instrumentation innovante (capteurs pour la mesure de la distribution des pressions de contact, capteurs à fibre optique pour la mesure des champs de déformation) sont essentielles pour comprendre le comportement des couches de roulement sous les charges réelles des roues de véhicules lourds et pour valider la modélisation proposée.

Du point de vue de la modélisation, les approches basées sur le MNE (LMGC90) apparaissent comme la seule méthode capable de décrire de manière réaliste les distributions des forces/contraintes dans les couches de chaussée avec des particules en contact, présentant une faible épaisseur par rapport à la taille maximale des particules. Elles ont été utilisées avec succès pour les structures ferroviaires, afin d'estimer les déformations et la stabilité des couches de ballast.


IMPACT SOCIO-ÉCONOMIQUE
L'objectif de mieux comprendre le comportement mécanique des couches de roulement et de modéliser leur comportement devrait permettre une meilleure conception. Cela pourrait également aider à expliquer certains modes de dégradation encore mal compris, comme la fissuration de haut en bas observée sur certaines chaussées, ou le décollement des interfaces. La réduction de la consommation
de matériaux et l'augmentation de la durée de vie des produits, permettra d'économiser les ressources naturelles. Une meilleure compréhension du de l'interaction pneus - chaussée pourrait également permettre d'optimiser la conception des véhicules lourds et de leurs pneus, afin de réduire l'agressivité de leurs charges.

La diffusion et l'exploitation des résultats scientifiques seront assurées tout au long du projet par des communications lors de conférences (EATA, TRA, BCRRA, TRB, ISAP) et des publications dans des revues nationales et internationales (RMPD). La conférence internationale sur les essais accélérés des chaussées (APT2020) sera organisée par l'IFSTTAR en septembre 2020, et elle donnera l'occasion de présenter les résultats du projet binaire à un large public international.

Ce projet contribuera à l'amélioration des pratiques professionnelles des entreprises de travaux publics, et des bureaux d'études en matière de conception des chaussées. A l'issue du projet, une synthèse des principaux résultats pratiques, destinée à l'industrie routière, sera publiée (portant sur les méthodes de mesure des distributions de pression et des niveaux de déflexion, évaluation de l'impact des charges, modèles de calcul).

Les principaux résultats portant sur la réduction de l'agressivité des pneus et des essieux seront présentés à l'industrie des camions et à l'industrie pneumatique. Une partie de l'industrie des camions est déjà impliquée dans le projet européen Ensemble (projet H2020 débutant en 2018) dont l'IFSTTAR est membre.

L'IFSTTAR est membre de la commission de normalisation en charge de la norme française de conception des chaussées NFP-98086 et les résultats pourraient être intégrés dans cette norme.

Ces résultats seront également présentés lors d'un séminaire, organisé pour les parties prenantes (propriétaires de routes, consultants, entrepreneurs) dans chacune des régions françaises et lors d'événements nationaux comme les Journées Techniques Routes.

Si les contraintes économiques imposent de nos jours de transporter plus de marchandises à des coûts moindres, les silhouettes de poids lourds n’ont pas toutes les mêmes effets sur les infrastructures pour un même tonnage transporté. Dans un contexte où les réseaux routiers vieillissent, il est important de mieux maîtriser et comprendre les mécanismes de dégradation des couches de roulement des chaussées. Actuellement, il existe des spécifications en matière d’adhérence, de texture, d’uni, mais aucune norme, ni aucune méthode de dimensionnement ne permet de définir les caractéristiques mécaniques, garantissant la durée de vie de cette couche qui supporte directement les charges du trafic. L’objectif du projet, qui associe pour cela des laboratoires de recherche français et chinois, est donc de développer des approches plus rationnelles et plus scientifiques pour l’évaluation de l’agressivité que subissent les couches de roulement sous trafic, et pour le dimensionnement de ces couches. Le but du projet est de développer des approches plus rationnelles et scientifiques pour évaluer l'effet des charges de trafic sur les couches de roulement et pour la conception de ces couches. Pour atteindre ces objectifs, les principaux mécanismes de détérioration des couches de roulement sous des charges de trafic, telles que l'arrachement des particules du béton bitumineux (BB) induites par le chargement des pneus et la fissuration descendante, seront étudiés. Ceci nécessite la résolution de trois problèmes scientifiques, qui constituent un obstacle pour mieux prendre en compte l'agressivité des charges roulantes: • Pour mieux comprendre les champs de contrainte et de déformation générés dans la couche de roulement sous des charges de trafic, pour différentes conditions de température, ainsi que pendant les phases de freinage et d'accélération sur les matériaux bitumineux. • Pour prendre en compte l'impact du comportement des interfaces entre les couches d'asphalte sur la redistribution contrainte / déformation au sein de la structure, notamment à proximité de la surface de la chaussée • Améliorer la prédiction de la durée de vie du revêtement en étudiant et modélisant le comportement de l'enrobé sous charge roulante et en validant l'approche par des essais de charge à pleine échelle avec l'installation d'essai de chaussée à pleine échelle IFSTTAR. Les charges critiques seront utilisées pour estimer la durée de vie de la couche de roulement. Pour atteindre ces objectifs, divers tests de laboratoire seront effectués à partir d'essais à échelle microscopique jusqu'à des tests de structure en laboratoire afin de reproduire les chargements que les couches de roulement rencontrent in situ pendant leur durée de vie : - caractérisation rhéologique du mastic constituant la couche de roulement et des essais de rupture locaux sur mastic entre deux granulats. - essais rhéologiques sur les enrobés - essais en laboratoire à échelle réduite, y compris les essais utilisés pour caractériser la réponse de l'enrobé sous des charges de roulement libres et d'autres simulant l'usure de surface Un important travail de modélisation est également prévu pour l'interprétation des essais en laboratoire et la modélisation du comportement in situ des couches de roulement. Le DEM sera utilisé et un modèle simplifié sera développé pour la modélisation avancée de la chaussée avec Viscoroute.

Coordinateur du projet

Monsieur Cyrille Chazallon (Laboratoire des sciences de l'Ingénieur, de l'Informatique et de l'Imagerie)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IFSTTAR / MAST IFSTTAR / MAST
ICube Laboratoire des sciences de l'Ingénieur, de l'Informatique et de l'Imagerie

Aide de l'ANR 615 608 euros
Début et durée du projet scientifique : mars 2020 - 48 Mois

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