maces - SPECBEA

Innovations récentes et futures
dans le domaine des matériaux
hydrauliques pour la route
Dossier
BÉTON ET INNOVATION
L’
François de LARRARD
Chef de la division Technologies du génie
civil et environnement
Laboratoire central des Ponts et chaussées
(LCPC) de Nantes
Thierry SEDRAN
Chef de la section Elaboration des matériaux
LCPC
Vincent MATHIAS
Doctorant
LCPC
LCPC
article donne un aperçu de trois techniques récentes
de matériaux hydrauliques à plat développées au Laboratoire central des Ponts et chaussées (LCPC), en partenariat avec l’industrie du ciment et de la construction routière : les
bétons de fraisats, dans lesquels une partie du squelette granulaire
est constituée de matériaux bitumineux recyclés ; les matériaux autocompactants essorables de structure (MACES), sorte de bétons fluides et
très maigres qui présentent à l’état durci des propriétés mécaniques
proches de celles des graves traitées aux liants hydrauliques ; et, enfin, la
moquette de béton à hautes performances (BHP), nouvelle déclinaison du béton
armé continu (BAC) à l’ère du développement durable. D’autres techniques sont en préparation dans le cadre d’un nouveau programme de recherche récemment lancé.
Introduction
Abstract
Recent innovations in the area
of cementitious materials for roads
The article reviews three recent techniques
for flat cementitious materials developed
at the French TR labs (LCPC), jointly with
the cement and road-building industries:
milling concrete in which part
of the aggregate skeleton consists
of recycled asphalt materials (millings);
self-compacting structural materials
(MACES), a kind of fluid, very lean
concrete which, on setting, exhibits
mechanical properties similar to those of
cementitious base materials; and, lastly,
high-performance concrete carpets (HPC),
a new type of continuously reinforced
concrete (CRC) in the era of sustainable
development. Other techniques are being
prepared in connection with a recently
launched research programme.
42 43
On constate dans ce numéro de la RGRA
que la technologie du béton à plat
est bien vivante. Cependant, au-delà
d’un panel de techniques éprouvées,
il est important non seulement
de rester en veille vis-à-vis
des innovations pouvant apparaître
ici ou là, en France ou à l’étranger,
mais également d’exercer sa créativité,
afin d’optimiser l’adéquation entre
les besoins des usagers et des maîtres
d’ouvrage, les matériaux disponibles
et les techniques applicables.
Il en va de l’avenir de la technique
et de sa survie dans un monde
en perpétuelle évolution, dans lequel
les exigences et les critères de choix
changent rapidement. Les innovations
d’aujourd’hui seront, au moins
pour certaines d’entre elles, les techniques
classiques de demain. A contrario,
les techniques qui n’évoluent pas
sont condamnées à disparaître.
Le Laboratoire central des Ponts
et chaussées (LCPC) a ainsi récemment
développé un certain nombre de produits
de recherche, en collaboration avec
l’industrie du ciment et de la construction
routière, qui sont présentés
dans cet article :
> Les bétons de fraisats s’inscrivent
dans la mouvance du recyclage
et du développement durable.
Dans l’univers routier, l’on voit
que le béton de ciment peut,
lui aussi, satisfaire au principe
du « zéro déchet », et ce, dans
des conditions économiques favorables.
> Les matériaux autocompactants
essorables de structure (MACES)
viennent opportunément répondre
à une vieille question mal résolue,
celle des techniques d’élargissement
de voies à trafic faible ou modéré.
D’autres applications émergeront
probablement.
> La moquette de béton à hautes
performances (BHP) transpose avec succès
dans la route un matériau qui s’est imposé
dans les ouvrages d’art, par ses qualités
de durabilité exceptionnelle.
Recyclage des fraisats
d’enrobés dans les bétons
routiers pervibrés
L’entretien et la reconstruction
des chaussées bitumineuses,
qui constituent la majeure partie
du réseau routier français, entraînent
une production annuelle d’à peu près
2 millions de tonnes de fraisats.
Une partie est recyclée dans les remblais
et les matériaux bitumineux,
mais plus de la moitié est encore
classée comme déchet [1].
Ceci n’est pas satisfaisant du point
de vue du développement durable.
C’est pourquoi, à la demande
des professions routière et cimentière,
le LCPC a lancé en 2001 une thèse(1)
CIFRE, financée par l’Association
technique de l’industrie des liants
hydrauliques (ATILH), sur l’étude
d’un nouveau débouché pour ces fraisats :
es bétons de ciment routiers.
(1)
Soutenance prévue le 3 décembre prochain ; CIFRE :
Convention industrielle de formation par la recherche
L’utilisation d’un liant hydraulique
dans le retraitement des fraisats
est une pratique ancienne. Elle prend
son origine dans le procédé du retraitement
en place des chaussées, dans lequel
les matériaux bitumineux décohésionnés
sont directement réutilisés avec un liant
hydraulique, sous forme de grave traitée.
Au Canada, la technique a été étendue
aux bétons compactés dans un recyclage
en place dit à haute performance [2].
Le bon comportement de ces matériaux
compactés mixtes dans la route a conduit
à évaluer l’utilisation des fraisats
comme granulats de substitution
dans les bétons pervibrés.
Après quelques essais encourageants
réalisés au Laboratoire régional
de l’Ouest parisien (LROP) [3],
l’objectif principal de cette recherche
a consisté à fournir les éléments
nécessaires aux ingénieurs pour la prise
en compte rationnelle de ces fraisats
dans la formulation du béton
et dans le dimensionnement des chaussées
incorporant ce béton. Cela passait
notamment par la caractérisation
des différentes propriétés mécaniques
du béton avec fraisats.
Dans un premier temps, l’on s’est donc
attaché à évaluer l’influence du taux
de substitution des granulats naturels
sur les propriétés mécaniques statiques,
notamment la résistance en fendage
et le module élastique.
On a ainsi montré (figure 1) que
l’introduction de fraisats s’accompagne
d’une chute de la résistance au fendage,
mais que celle-ci est en partie
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BÉTON ET INNOVATION
Innovations récentes et futures
dans le domaine des matériaux hydrauliques pour la route
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on l’allonge, ce qui simule le retrait
thermique dans les éprouvettes.
Ces essais ont montré que l’incorporation
de fraisats n’avaient aucune influence
notable sur la fissuration.
Figure 1
Influence du taux de substitution des granulats par du fraisat sur les performances
mécaniques d’un béton de ciment
LCPC
Influence of substituting millings for aggregates on the mechanical performance
of cement concrete
compensée par un fort assouplissement
du matériau. On peut alors
limiter les surépaisseurs de béton
nécessaires dans une structure routière.
Le rôle des fraisats sur ces propriétés
a ensuite été modélisé afin de pouvoir
être pris en compte dans des outils
de formulation des bétons
comme le logiciel BétonlabPro [4],
donnant aux résultats expérimentaux
un caractère plus général.
Une deuxième phase de l’étude a permis
de quantifier l’influence du taux
de fraisats sur le comportement
en fatigue des bétons, propriété centrale
de la méthode de dimensionnement
des chaussées.
Photo 1
Le banc de retrait empêché
1 : Béton témoin
2 : Béton avec fraisat
3 : Coffrage polystyrène
4 : Montant en BHP
5 : Plaque d’ancrage
6 : Barre de précontrainte avec résistance
chauffante
The impeded shrinkage bench
1: Control concrete
2: Concrete with millings
3: Polystyrene shuttering
4: Rise in HPC
5: Anchoring plate
6: Prestressing rod with heating resistor
Enfin, l’on s’est intéressé à l’effet
des fraisats sur la fissuration qui affecte
en général les chaussées en béton.
Pour cela, deux poutres de béton armé,
équivalentes d’un point de vue structurel,
ont été testées en parallèle, sur un banc
de retrait empêché de grande taille
développé dans le cadre du projet national
FLORE (Fissuration limitée et organisation
des retraits) [5] (photo 1). L’une était
constituée d’un béton témoin et l’autre
d’un béton avec un taux de substitution
de 50 % des granulats par des fraisats.
Le banc de retrait mesure 3,5 m de long
et est constitué de deux poutres
très rigides en BHP, dont on peut contrôler
la température. En chauffant le banc,
L’ensemble de toutes les données
de cette recherche permet de dimensionner
des chaussées en béton avec fraisats
et de les comparer aux chaussées
traditionnelles en béton. Il apparaît
ainsi qu’en utilisant 50 % de fraisats
en substitution des granulats naturels,
et en considérant que le coût
de ces fraisats est nul, on peut réaliser
une économie de 5 à 10 % sur le coût
matériau de la chaussée, malgré
la sur-épaisseur mise en œuvre.
Le recyclage des fraisats d’enrobés
dans les chaussées en béton pourrait
donc être une solution non seulement
satisfaisante sur le plan environnemental,
mais également viable au niveau
technico-économique.
Premiers chantiers
en MACES
Depuis quelques années, la tendance
est au développement de matériaux
fluides pour la construction : bétons
autoplaçants pour les ouvrages d’art,
produits fluides de remblayage
réexcavables pour les tranchées.
De tels matériaux se compactent
sous le seul effet de la gravité,
ce qui facilite leur mise en œuvre
et la rend moins dépendante
de l’environnement du chantier
(qualification de la main d’œuvre,
accessibilité du site, etc.).
Dans cette mouvance, le LCPC a lancé
en 1999 une recherche en collaboration
avec le CTG (Italcementi), visant à mettre
au point un matériau autocompactant
générique, baptisé MACES, comparable
aux graves traitées aux liants hydrauliques,
du point de vue des propriétés
à l’état durci et de l’usage. Les études
de laboratoire ont permis de mettre
au point une méthodologie de fabrication
d’éprouvettes pour caractériser
le matériau et étudier l’influence
de la formulation sur ses propriétés [6].
Elles ont montré la faisabilité d’un tel
matériau avec un dosage d’environ
140 kg de ciment par m3,
pour une résistance au fendage
à 28 jours supérieure à 1 MPa [7].
Une première application industrielle
de ce matériau concerne les chantiers
d’élargissement de chaussées à faible
trafic. La technique classique consiste
44 45
RGRAN° 830 juillet-août 2004
Des chantiers de plus grande envergure
ont également été réalisés avec succès :
le conseil général de la Vienne
a mis en œuvre en régie environ 7 km
d’élargissement en MACES depuis 2002,
suivi en 2003 par le conseil général
de la Mayenne sur un chantier de 2,5 km.
Photo 3
2 heures après le coulage du MACES
2 hours after pouring of MACES
LCPC
Une expérience d’élargissement
en MACES, sur une longueur totale
de 260 m, a été réalisée en 2003
(RD 952 et RD 27 en Meurthe-et-Moselle),
dans le cadre d’une convention
de recherche entre le LCPC, le CTG
et Eurovia. L’objectif de ce chantier
était, outre l’identification d’éventuels
problèmes industriels, de confirmer
les performances du MACES in situ.
Il a donc fait l’objet d’un suivi important
(éprouvettes de contrôle, carottages,
mesures de déflexions, etc.).
De plus, des variations de dosages
en eau ont volontairement été générées,
afin d’évaluer les conséquences
sur l’aptitude au compactage
et les performances mécaniques in situ
du MACES. Les conclusions principales
de cette expérience sont les suivantes :
> Le MACES peut être très rapidement
mis en œuvre au camion toupie,
avec un personnel limité (photo 2).
> Il présente une tolérance assez
importante vis-à-vis de la teneur en eau.
> Dans le cas de ce chantier, la remise
en circulation a été réalisée
après 24 heures sans problème particulier.
Il s’agit cependant d’une route
à faible trafic ; un retour d’expérience
plus large est nécessaire avant
de statuer sur les bonnes pratiques
en la matière.
En revanche, il n’est pas nécessaire
de le fluidifier à outrance,
car le balancement de la goulotte
de la toupie et un léger ratissage
de surface facilitent sa répartition,
alors qu’un excès d’eau conduit
à un ressuage fort et à une légère
baisse des performances mécaniques.
> Il peut être mis en œuvre en pente.
> Il est circulable à pied après environ
2 heures (photo 3).
> Après un an, aucun signe
de détérioration de l’élargissement
n’est visible (en particulier, il n’y pas
d’apparition de fissure longitudinale
à la jonction de l’ancienne chaussée).
LCPC
à décaisser le bord de la chaussée
de la largeur voulue et à combler
la fouille avec un matériau compacté,
avant de réaliser la couche de roulement.
Or, il s’avère que le compactage
est difficile à réaliser car les fouilles
sont généralement étroites et peuvent
présenter des bordures instables.
Cela conduit souvent à un affaissement
rapide de ces élargissements. L’absence
de compactage lors de la mise en œuvre
des MACES, ainsi que leur rigidité,
présentent donc, dans ce cas,
un réel intérêt technique.
Les compositions de MACES utilisés
reprenaient la formule proposée
par le LCPC et le CTG [7], appliquée
à des matériaux locaux. Ceci laisse penser
que l’on est en présence d’un matériau
relativement « rustique », dont l’utilisation
est facilement généralisable.
Il reste toutefois à mener, dans un futur
proche, des réflexions pour établir
une méthodologie de dimensionnement
de ces poutres de rives en MACES,
afin de garantir une application
rationnelle et maîtrisée du matériau.
Moquette BHP :
un an après Villeurbanne
Photo 2
Mise en œuvre du MACES à la toupie
MACES placed by transit mixer
La moquette BHP est une couche
de roulement mince en béton désactivé
à hautes performances, armée d’un treillis
soudé, simplement posée sur un support
rigide ou semi-rigide [8, 9]. Cette « chaussée
souple en béton » a été proposée
•••
Dossier
BÉTON ET INNOVATION
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Innovations récentes et futures
dans le domaine des matériaux hydrauliques pour la route
afin d’améliorer la compétitivité
des chaussées en béton en terme
de coût de premier investissement,
tout en satisfaisant à l’ensemble
des exigences modernes des maîtres
d’ouvrage et des usagers (réduction
de la consommation en ressources
non renouvelables, mise en circulation
rapide, diminution du bruit
de roulement des véhicules,
et haute durabilité escomptée).
Nous avons présenté dans la RGRA
le premier chantier expérimental
dans lequel la moquette BHP a été
mise en œuvre (chantier de Villeurbanne
[10], juillet 2003). L’article concluait
sur le bon déroulement du chantier,
mais on ne disposait pas encore
des résultats de contrôle du béton durci,
et l’on ne savait pas alors comment
évolueraient l’aspect du béton
et sa fissuration de retrait.
Le tableau 1 illustre les résultats
des essais mécaniques pratiqués
sur les prélèvements de béton effectués
sur le chantier. L’on note que la résistance
en compression a été assez homogène
d’une gâchée à l’autre, la valeur moyenne
s’établissant à 71,5 MPa et la valeur
caractéristique à 66,7 MPa.
La diminution de résistance, par rapport
au béton d’étude (dont la résistance
moyenne s’élevait à 80,0 MPa)
s’explique par l’ajout d’un retardateur
de prise sur le chantier, rendu nécessaire
par les conditions atmosphériques
et le temps de transport du béton.
On sait que le contrôle du retrait
est un aspect important de la conception
de la moquette BHP [9]. Son rôle
est en effet de prévenir les risques
éventuels de flambement par temps
chaud. Le retrait du béton d’étude
de Villeurbanne a été vérifié
en laboratoire, et apparaît
dans la figure 2. On cherchait un retrait
total à long terme de 750.10-6.
On voit que dès trois mois, cet objectif
est en passe d’être atteint.
La photo 4 montre l’aspect du BHP
dans les zones où la désactivation
a été bien réussie. L’on note la petite
taille du gravillon et la proximité
des microfissures. Un comptage effectué
en juin 2004 (soit onze mois après
le chantier) donne une distance
moyenne entre fissures égale à 23 cm,
soit quatre à cinq fois moins que
pour un béton armé continu (BAC)
classique. L’observation à la loupe
de la moquette, par une température
de 15 à 20°C, ne permet pas d’apercevoir
l’ouverture des fissures, au-delà
du premier demi-millimètre de profondeur.
Bien que ces fissures transversales
de retrait soient certainement
traversantes, leur ouverture
est inférieure à 50 μm.
Figure 2
Retrait du BHP d’étude de Villeurbanne, mesuré sur des éprouvettes de 7 x 7 x 28 cm
conservées à 20 ± 2°C et 50 ± 10 % d’humidité relative. Pour le retrait endogène,
les éprouvettes sont emballées sous une double feuille d’aluminium adhésif
afin d’éviter tout échange d’eau
Shrinkage of HPC of Villeurbanne study, measured on specimens of 7 x 7 x 28 cm
kept at 20 ± 2°C and 50 ± 10% relative humidity. For endogenous shrinkage, specimens
are wrapped in a double adhesive aluminium foil to prevent any exchange of water
N° de charge
Résistance
en compression
à 28 j (MPa)
Résistance
au fendage
à 28 j (MPa)
Module élastique
à 28 j
(GPa)
1
71,9
2
71,5
5,01
3
73,0
5,35
30,7
4
71,0
5
70,9
4,46
30,4
6
70,7
7
*
*
*
Moyennes de chantier
71,5
4,9
30,6
*Charge non testée
Tableau 1
Résultats de contrôle sur le BHP de Villeurbanne
(essais LCPC - chaque nombre est la moyenne des résultats de trois éprouvettes)
Results of tests on HPC at Villeurbanne (LCPC tests – each number is the average
of the results for three specimens)
A 0°C, l’on peut ainsi penser
qu’elles ne dépasseraient pas 100 μm.
Les risques de corrosion de l’acier semblent
ainsi écartés. Les choix de la nature
du matériau, de son épaisseur
et du renforcement ont ainsi permis
d’obtenir à la fois un retrait suffisamment
fort pour prévenir le flambement,
et des fissures très fines donnant
à la couche de roulement sa souplesse
sans pour autant exposer l’acier
à la corrosion.
Enfin, l’observation de la section d’essai
après un an permet de conclure
à l’absence totale de départs
de matériau (punch out). Les objectifs
de l’expérimentation de Villeurbanne
sont donc pleinement atteints.
DR
RGRAN° 830 juillet-août 2004
En cas de succès, l’on cherchera
à poursuivre le développement et à valider
ces concepts à l’échelle du chantier,
en collaboration avec les acteurs
privés de la construction routière.
Les innovations concernent principalement
les matériaux cimentaires, mais également
les matériaux bitumineux, combinés
à d’autres matériaux, neufs ou recyclés. Photo 4
Aspect du BHP désactivé
LCPC
Appearance of deactivated HPC
Remerciements
Les auteurs adressent leurs remerciements à l’Association technique de l’industrie des liants hydrauliques (ATILH), à Cimbéton et au Syndicat professionnel des entrepreneurs de chaussées
en béton et équipements annexes (SPECBEA) pour leur soutien technique et financier dans les trois projets.
Bibliographie
Photo 5
Microfissuration transversale dense de la moquette BHP
Dense transverse micro-cracking in HPC carpet
Le suivi de la chaussée sera cependant
effectué pendant au moins deux ans.
Il importe à présent de continuer
le développement de cette technologie
sur un chantier de dimensions
plus importantes (de l’ordre du kilomètre).
Le LCPC est à la recherche de maîtres
d’ouvrage intéressés. A noter que
la moquette BHP semble particulièrement
indiquée pour réhabiliter des chaussées
anciennes rigides ou semi-rigides,
dont le matériau est encore en bon état,
mais dont les joints présentent
des battements pouvant aller jusqu’au
millimètre, rendant inopérants
les entretiens de surface à base
de couches bitumineuses.
Projets de recherche
pour les années à venir
Les nouvelles exigences vis-à-vis
des infrastructures routières conduisent
à rechercher pour la route de demain
des matériaux et des structures,
qui soient à la fois :
> sûrs (en terme notamment
d’adhérence) ;
> à longue durée de vie
(particulièrement pour les couches
de roulement), afin de limiter
les opérations d’entretien, et la gêne
à l’usager qu’ils occasionnent ;
> respectueux de l’environnement,
et plus particulièrement économes
en ressources nobles ;
> silencieux.
Porté par le succès des récents
développements précédemment relatés,
le LCPC lance un nouveau projet
de recherche intitulé « Nouvelles
technologies routières » (2004-2007),
visant à répondre à ces exigences.
Il consiste, dans un premier temps,
à approfondir en laboratoire
ou sur maquette un certain nombre
d’innovations en gestation.
[1] J.-P. LEMESLE, « La gestion des déchets », RGRA n° 781,
février 2000, pp. 24-26
[2] N. POULIOT, « Mécanismes d’hydratation et propriétés mécaniques des bétons de ciment fabriqués à partir de matériaux granulaires recyclés et de bétons bitumineux recyclés », thèse
de doctorat, Faculté des Sciences et de génie, Université Laval,
Québec, 2002
[3] J. ABDO, J.-P. CHRISTORY, D. SICARD, « White-black, another
marriage of convenience. Cement concrete using asphalt
milling residue », 9th International Symposium on Concrete
Roads, Istanbul, avril 2004
[4] T. SEDRAN, F. de LARRARD, « BétonlabPro 2 - Logiciel d’aide
à la formulation des bétons », Presse de l’Ecole nationale des
Ponts et chaussées, Paris, 2000
[5] T. LEMARIGNIER, « Fissuration des chaussées en béton
armé continu au jeune âge », thèse de doctorat de l’Ecole
nationale des Ponts et chaussées, juillet 1996
[6] T. SEDRAN, O. HERR, F. de LARRARD, G. MARCHESE,
« Laboratory studies for a new self-compacting bleeding
cementitious material for pavement bedding », 9th International
Istanbul,
Symposium
on
Concrete
Roads,
27-30 avril 2003
[7] O. HERR, M. VACHON, T. SEDRAN, F. de LARRARD,
J.-M. BALAY, « Les matériaux autocompactants essorables de
structure (MACES) : étude de faisabilité d’une nouvelle gamme
de matériaux hydrauliques pour les assises de chaussées »,
Bulletin des laboratoires des Ponts et chaussées n° 232,
pp. 99-103, mai-juin 2001
[8] F. de LARRARD, « La moquette en BHP - Un nouveau
concept de couche de roulement », note technique, Bulletin des
Laboratoires des Ponts et chaussées, n° 223, pp. 105-110,
septembre-octobre 1999
[9] F. de LARRARD, J.-P. KERZREHO, « Comportement de la
moquette en BHP sous sollicitations thermiques et sous trafic
accéléré », Bulletin des Laboratoires des Ponts et chaussées
n° 244-245, mai-août 2003, pp. 15-30
[10] F. de LARRARD, L. BAROIN, D. AST, J.-M. POTIER, « Premier
chantier expérimental pour la moquette BHP », RGRA n° 819,
juillet-août 2003, pp. 47-52
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