DS0602 - Du bâtiment au cadre de vie bâti durable

Pour une solution durable du renforcement des infrastructures par grilles en fibre de verre – SolDuGri

Pour une solution durable du renforcement des infrastructures par grilles en fibre de verre

La construction et la réparation des infrastructures routières se doivent de nos jours d’intégrer les problèmes de rareté future des matières premières telles que les produits dérivés du pétrole. Compte tenu du patrimoine routier existant en France la réparation est un enjeu majeur. Les grilles, notamment en fibre de verre, constituent une solution performante et économique pour le renforcement des chaussées bitumineuses, afin d’augmenter leur durée de vie et ralentir la remontée des fissures.

Vers le développement de solutions abordables de réingénierie écologique, permettant la rénovation totale ou partielle d'infrastructures.

Aujourd’hui, les grilles sont de plus en plus utilisées, en France et dans de nombreux pays, pour améliorer la durée de vie des chaussées. Les applications sont, à la fois, les chaussées neuves, la réparation et le <br />renforcement de chaussées fissurées. Elles concernent les chaussées routières mais aussi, de plus en plus, les plateformes industrielles ou portuaires et les pistes d’aéroport qui utilisent des assises en matériaux traités aux liants hydrauliques ou en béton. Les grilles, notamment en fibre de verre, ont largement démontré, sur chantier, leur capacité à améliorer la durée de vie en fatigue des couches bitumineuses, et à retarder ou à <br />empêcher la remontée des fissures des chaussées anciennes renforcées. Cependant, il n’y a pas <br />aujourd’hui de consensus sur les essais de caractérisation à réaliser, ni sur les approches de calcul ou de <br />dimensionnement des chaussées renforcées. L’objectif du projet, qui associe pour cela à la fois des laboratoires de recherche et des partenaires industriels, est de développer des approches plus rationnelles et plus mécaniques pour l’évaluation des grilles, et pour le calcul des chaussées renforcées. Il s’agit de lever trois verrous, qui sont un frein au développement de cette technique : <br />- mieux comprendre les sollicitations auxquelles les grilles sont soumises lors de la mise en oeuvre, notamment lors de la circulation des engins de chantier sur la grille et lors du compactage des couches de chaussées, afin d’optimiser la résistance des grilles à ces sollicitations. <br />- étudier le comportement mécanique des interfaces entre les couches renforcées et leur support afin d’optimiser les caractéristiques des interfaces (choix de l’émulsion, dosage) <br />- améliorer la prévision des durées de vies des chaussées renforcées, par l’étude et la modélisation du comportement en fatigue des grilles, des enrobés renforcés et des interfaces, et par la validation de l’approche par un essai de fatigue en vraie grandeur sur le manège de fatigue.

Pour atteindre ces objectifs, différents essais de laboratoire seront mis au point ou adaptés, afin de simuler les sollicitations que la grille, et le matériau renforcé rencontrent à la mise en oeuvre et toute au long de leur
durée de vie :
- des essais de traction monotones, à différentes températures, de fatigue, de fluage-recouvrance sur la grille
- des essais d’indentation, visant à simuler le poinçonnement subi par les grilles lors du compactage.
- des essais de résistance mécanique des interfaces grille/enrobé.
- des essais de fatigue en flexion 4 points alternée.
La réalisation d’essais en vraie grandeur permettra d’étudier, en conditions réelles, le comportement des grilles lors de la phase chantier et l’endommagement créé à la mise en oeuvre, puis sur des structures réelles, instrumentées, on étudiera leur fonctionnement dans
la chaussée, et leur effet sur la durée de vie des chaussées. Ces essais, nécessaires pour valider les résultats de laboratoire et les modèles de calcul développés, seront menés sur le manège de fatigue. De
plus, en fin d’expérimentation, un essai de fraisage et de recyclage du produit sera réalisé de façon à valider les hypothèses de recyclage en fin de vie de la chaussée composite.
Un important travail de modélisation est également prévu, pour l’interprétation des essais en laboratoire, et la modélisation du comportement in situ des structures renforcées.
Ces recherches seront complétées par une étude technico-économique et environnementale, afin d’établir :
- les bénéfices économiques de la technique (comparaison des coûts (matière, travaux) et monétarisation de la gêne à l’usager liée aux chantiers)
- l’évolution des impacts environnementaux apportés par l’utilisation des enrobés renforcés par grilles, en chaussées neuves, et en renforcement de chaussées, en comparant différents scenarii d’utilisation avec des solutions techniques classiques sans grille. Une analyse de cycle de vie sera réalisée à l’aide du logiciel ECORCE 2.0

Travaux et résultats obtenus :
- Tâche 2 (Etude des matériaux en laboratoire)
• 2.1 Caractérisation du comportement mécanique des composites grilles de fibre de verre-bétons bitumineux et de leurs constituants
a) Les fils de la grille
La caractérisation mécanique des matériaux neufs et ceux récupérés des planches d'essai a été menée. Il apparait un endommagementimportant surfacique et volumique des fils de la grille.

• 2.2 Etude du collage des interfaces grille / enrobé

Essai WST : La thèse de Maïssa Gharbi portant sur l’étude de la résistance mécanique des interfaces grille /enrobé a démarré au 1/10/2015. L’essai de type « Wedge Splitting » pour l’étude de la résistance des interfaces a été développé. Son fonctionnement est en phase de modélisation par G. Koval.

• 2.3 Endommagement des grilles par poinçonnement
- analyse des surfaces d’enrobés pour caractériser de manière statistique la géométrie des poinçons
- caractérisation des défauts observés sur les grilles après mise en œuvre de l’enrobé. Conception et réalisation (usinage CFAO) des poinçons en acier.
- reproduction en laboratoire des défauts sous indentation des fibres avant essais de fatigue

- Tâche 3 (Essais en vraie grandeur)
• 3.1 : Réalisation de planches expérimentales et étude de l’endommagement à la mise en oeuvre
Cinq planches expérimentales (longueur 5 à 10 m) ont été réalisées sur le site de l’IFSTTAR en Novembre 2015:

- Tâche 4 :.modélisation
Des travaux de modélisation sont en cours sur la simulation des essais de flexion 4 points en fatigue sur composite grille/enrobé, et sur la modélisation de structure multifissurée à partir de la méthode des éléments de frontière.

- Tâche 5 : Evaluation développement durable des solutions techniques
• 5.2 : Evaluation environnementale
Des données concernant la production des grilles étudiées ont été mesurées sur place afin de réaliser une évaluation des impacts environnementaux fondée sur l’ACV.

Les principaux faits marquants obtenus au 2/3 du projet sont les suivants : - Evaluation du comportement des grilles après avoir subi la mise en œuvre
- Réalisation d’essai de type WST permettant de caractériser la fissuration de l'interface
- Etude de l’indentation des grilles à travers les plaques d’enrobés et l’étude du dommage des fils. Réalisation d’indenteurs modèles.
- Globalement les essais ont montré que les mesures à l’échelle du laboratoire sont bien représentatives du comportement en vraie grandeur, pourvu que la production industrielle soit parfaitement maîtrisée. Des calages mineurs seront nécessaires. Ceci permet d’envisager le passage à l’essai sur manège de fatigue et à la modélisation sereinement.
Des modèles pour l'essai WST, 4PB, et l'essai de manège sont en cours de développement.

- BCRRA 2017 (Athènes), 2 articles présentés : - In situ damage evaluation of geogrid used in AC pavement //
Wedge Splitting Characterisation of the bond between asphalt layers reinforced with glass
fibre grid,
- EATA 2017 : 1 poster ac

La construction et la réparation des infrastructures routières dans une optique de développement durable, se doivent de nos jours d’intégrer les problèmes de rareté future des matières premières telles que les produits dérivés du pétrole. Compte-tenu du patrimoine routier existant, environ 1 million de km en France, la réparation est un enjeu majeur, en effet la valeur patrimoniale du réseau national est estimée à 250 milliards d’euros et celle du réseau complet est estimée à 2000 milliards d’euros (Corniou, 2012). Le vieillissement des infrastructures nécessite de développer des solutions abordables de réingénierie écologique, qui vont permettre la rénovation totale ou partielle.
Dans le domaine de la construction neuve, il s’agit de développer et de mettre en oeuvre des solutions qui minimisent, à des coûts maîtrisés, les impacts environnementaux et énergétiques, pendant la phase de construction mais aussi tout au long de la vie de la chaussée.

Les grilles, notamment en fibre de verre, constituent une solution performante, et économique pour le renforcement des chaussées bitumineuses, afin d’augmenter leur durée de vie et ralentir la remontée des fissures, tant en chaussées neuves, qu’en renforcement. Les grilles sont utilisées en tant que renfort, pour améliorer les performances en traction, et la résistance à la fissuration.

Aujourd’hui, les grilles sont de plus en plus utilisées pour améliorer la durée de vie des chaussées, mais cette utilisation repose essentiellement sur des règles empiriques, basées sur les retours d’expérience. L’objectif de ce projet est d’associer études en laboratoire, observations tirées d’essais en vraie grandeur, et modélisation, afin :
• d’améliorer la conception des grilles : composition des fils et de la résine, ouverture de la maille.
• d’améliorer les essais utilisés pour caractériser en laboratoire les performances mécaniques des grilles : essais de traction, de fluage, d’indentation et de fatigue sur les grilles, essais de résistance lors de la mise en oeuvre, essais de fatigue et de fissuration sur enrobés (chauds, tièdes) renforcés à différentes températures.
• de mieux comprendre, grâce à des essais en laboratoire et en vraie grandeur, l’impact des conditions de mise en œuvre sur le comportement des grilles, le collage des couches d’enrobés, et leur mode de fonctionnement dans la chaussée, avec différents matériaux bitumineux (chauds, tièdes).
• de développer des modèles appropriés pour décrire le comportement mécanique et évaluer la durée de vie des
matériaux renforcés.
• de vérifier la possibilité de recyclage intégral de ces matériaux.
• de mettre au point des méthodes d’évaluation des impacts économiques et d’appliquer une méthode d’analyse du cycle de vie pour évaluer les impacts environnementaux du procédé de renforcement.

Les résultats attendus visent une optimisation des propriétés mécanique de la grille dans le contexte du renforcement des chaussées existantes et des chaussées neuves en liant les études expérimentales menées en laboratoire et celles menées in situ sur planches d’essai et sur manège de fatigue.
L’originalité scientifique et théorique réside dans la mise au point d’un modèle couplant fatigue et endommagement pour prédire l’effet des grilles de renforcement sur le comportement en fatigue d’une structure de chaussée renforcée. Une attention toute particulière sera portée à la quantification de l’endommagement subi par la grille lors de sa mise en œuvre et sur son collage. Pour ce dernier point un essai de laboratoire sera développé. Notons pour finir que l’impact environnemental du renforcement de chaussées par grilles de fibre de verre sera considéré depuis la fabrication de la grille, jusqu’à son recyclage intégral ainsi que son utilisation avec des enrobés tièdes, ces derniers étant amenés à se développer.

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

INSA-ICUBE Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie
ICS Institut Charles Sadron
IFSTTAR Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l’Aménagement et des Réseaux
COLAS COLAS S.A.
6 D SOLUTIONS
EPSILON
SODEFIBRE

Aide de l'ANR 894 262 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2014 - 42 Mois

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