Recyclage des fraisats d’enrobés dans les bétons routiers. Vincent Mathias – Thierry Sedran – François de Larrard Laboratoire Central des Ponts et Chaussées – Centre de Nantes – France

Plan de la présentation Introduction Le béton de fraisat Utilisation en matériau routier Contexte Objectifs Caractérisation Modélisation Fatigue Fissuration Dimensionnement Plan de la présentation Contexte et objectifs Le béton de fraisat Caractérisation des bétons de fraisat Modélisation Utilisation en matériau routier Comportement en fatigue Comportement vis-à-vis de la fissuration Dimensionnement 15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC

partie 1 Introduction Le béton de fraisat Utilisation en matériau routier Contexte Objectifs Caractérisation Modélisation Fatigue Fissuration Dimensionnement Contexte de l’étude Production française annuelle de fraisats d’enrobés : 2 millions de tonnes.  près de 50 % stockés ou mis en décharge. Part infime du recyclage avec un liant hydraulique, et toujours sous forme de graves traitées. résultats intéressants : chute du module baisse modérée de la résistance en fendage 15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC

Introduction Le béton de fraisat Utilisation en matériau routier Contexte Objectifs Caractérisation Modélisation Fatigue Fissuration Dimensionnement Objectifs Intégration du matériau fraisat d’enrobés dans les chaussées en béton. Caractériser l'influence des fraisats sur les propriétés d'usage des bétons routiers (résistances en compression et fendage, module d’élasticité, comportement en fatigue et vis à vis du retrait et de la fissuration). Proposer une méthode de prise en compte des fraisats dans la formulation des bétons et dans le dimensionnement des structures routières incorporant des bétons avec fraisats. 15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC

Essais de caractérisation Introduction Le béton de fraisat Utilisation en matériau routier Contexte Objectifs Caractérisation Modélisation Fatigue Fissuration Dimensionnement Essais de caractérisation 2 types de béton : Béton de couche de surface (dosé à 330 kg/m3) Béton maigre d’assise (dosé à 220 kg/m3) Pour chaque type de béton, 5 dosages différents en fraisat, de 0 à 90 % de la masse totale de granulats. L’affaissement est gardé constant en ajustant la quantité d’eau. Pour chaque mélange, essais de résistance en compression, en fendage ainsi que module élastique, à 28 jours et pour trois températures différentes (2°C, 20°C et 40°C). 15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC

Résistance en compression Introduction Le béton de fraisat Utilisation en matériau routier Contexte Objectifs Caractérisation Modélisation Fatigue Fissuration Dimensionnement Résistance en compression 15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC

Résistance en fendage Introduction Le béton de fraisat Utilisation en matériau routier Contexte Objectifs Caractérisation Modélisation Fatigue Fissuration Dimensionnement Résistance en fendage 15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC

Module élastique Introduction Le béton de fraisat Utilisation en matériau routier Contexte Objectifs Caractérisation Modélisation Fatigue Fissuration Dimensionnement Module élastique 15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC

Notion d’IQE Introduction Le béton de fraisat Utilisation en matériau routier Contexte Objectifs Caractérisation Modélisation Fatigue Fissuration Dimensionnement Notion d’IQE 15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC

Interprétation en terme d’IQE Introduction Le béton de fraisat Utilisation en matériau routier Contexte Objectifs Caractérisation Modélisation Fatigue Fissuration Dimensionnement Interprétation en terme d’IQE 15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC

2 approches pour la modélisation Introduction Le béton de fraisat Utilisation en matériau routier Contexte Objectifs Caractérisation Modélisation Fatigue Fissuration Dimensionnement 2 approches pour la modélisation Le fraisat est un granulat classique : il y a pellicule de bitume autour du granulat naturel Le fraisat est un séparé en deux phases : le granulat d’origine est considéré sans bitume tandis que ce dernier se présente sous forme d’inclusions souples dans la matrice cimentaire 15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC

Modèle de résistance en compression développé par le LCPC Introduction Le béton de fraisat Utilisation en matériau routier Contexte Objectifs Caractérisation Modélisation Fatigue Fissuration Dimensionnement Modèle de résistance en compression développé par le LCPC Bitume autour du granulat Bitume dans la matrice cimentaire 15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC

Comparaison des deux approches Introduction Le béton de fraisat Utilisation en matériau routier Contexte Objectifs Caractérisation Modélisation Fatigue Fissuration Dimensionnement Comparaison des deux approches L’unité est égal à 1 MPa pour la résistance en compression, 0,1 MPa pour la résistance en fendage et 1 GPa pour le module élastique 15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC

Comportement en fatigue Introduction Le béton de fraisat Utilisation en matériau routier Contexte Objectifs Caractérisation Modélisation Fatigue Fissuration Dimensionnement Comportement en fatigue Essais réalisés au Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées de Lille. Trois essais de fatigue réalisés sur des bétons dosés à 330 kg/m3 de ciment et comprenant 0, 50 et 90 % de fraisats. Deux essais réalisés sur béton de fraisat maigre et sur béton témoin maigre. 15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC

Résultats des essais de fatigue Introduction Le béton de fraisat Utilisation en matériau routier Contexte Objectifs Caractérisation Modélisation Fatigue Fissuration Dimensionnement Résultats des essais de fatigue 15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC

Analyses des résultats Introduction Le béton de fraisat Utilisation en matériau routier Contexte Objectifs Caractérisation Modélisation Fatigue Fissuration Dimensionnement Analyses des résultats Cohérence des résultats entre les deux types de béton : augmentation du taux de fraisat  baisse de l’endurance Faible dispersion des résultats pour tous les bétons avec fraisat. Résultats surprenants entre bétons riches et maigres : résistance plus élevée  endurance plus faible 15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC

Comportement en fissuration Introduction Le béton de fraisat Utilisation en matériau routier Contexte Objectifs Caractérisation Modélisation Fatigue Fissuration Dimensionnement Comportement en fissuration La fissuration du béton provient : Des retraits hydriques et thermique qui l’affectent De sa rigidité qui entraîne des contraintes de traction importantes suite aux déformations induites par le retrait Nous avons mesuré les différents retraits pour le béton de fraisat comparé au témoin : le retrait hydrique augmente avec la hausse du taux de fraisat tandis que le retrait thermique est identique.  résultats difficiles à quantifier en terme de fissuration Nous avons simulé le comportement d’une section de chaussée en BAC 15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC

Essais de retrait empêché : schéma du montage Introduction Le béton de fraisat Utilisation en matériau routier Contexte Objectifs Caractérisation Modélisation Fatigue Fissuration Dimensionnement Essais de retrait empêché : schéma du montage 15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC

Introduction Le béton de fraisat Utilisation en matériau routier Contexte Objectifs Caractérisation Modélisation Fatigue Fissuration Dimensionnement Essais réalisés Choix du béton à 50 % de fraisats comparé au béton témoin. Deux essais réalisés sur des structures BAC mécaniquement équivalentes : Même dosage en ciment (330 kg/m3) et surépaisseur de 25 % pour le béton de fraisat. Même épaisseur et surdosage en ciment de 25 % pour le béton de fraisat, avec un superplastifiant pour obtenir le même IQE. 15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC

Introduction Le béton de fraisat Utilisation en matériau routier Contexte Objectifs Caractérisation Modélisation Fatigue Fissuration Dimensionnement Résultats Premier essai : résultats similaires sur les deux barreaux (3 fissures). Deuxième essai terminé : une seule fissure (au même endroit) sur chaque éprouvette. 15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC

Méthode de dimensionnement Introduction Le béton de fraisat Utilisation en matériau routier Contexte Objectifs Caractérisation Modélisation Fatigue Fissuration Dimensionnement Méthode de dimensionnement Le dimensionnement consiste à comparer la contrainte calculée dans la couche à une contrainte admissible : adm = 6 .(N / 106)b.kr.kd.ks.kc 6 est la contrainte de rupture à 1 million de cycles et b la pente de fatigue, toutes deux déterminées par l’essai de fatigue. N est le nombre de chargements sur la durée de vie. kr, kd, ks et kc sont des coefficients modérateurs. Matériau différent d’un béton classique  évolution des paramètres de dimensionnement. 15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC

Application de la méthode aux bétons de fraisat Introduction Le béton de fraisat Utilisation en matériau routier Contexte Objectifs Caractérisation Modélisation Fatigue Fissuration Dimensionnement Application de la méthode aux bétons de fraisat L’essai de fatigue montre un comportement différent des bétons de fraisat : baisse de 6 et b  défavorable au béton de fraisat. kr évolue en fonction de b et SN. La baisse importante de SN entraîne une augmentation de kr  favorable au béton de fraisat. Le coefficient de discontinuités, kd, peut être gardé constant dans la mesure où il ne semble pas y avoir d’effets discriminants des fraisats sur la fissuration. De plus, le coefficient de dilation thermique du béton n’est pas sensible à la présence de bitume. La question se pose sur le choix du coefficient de calage, kc, dans la mesure où l’on n’a pas de réalisation réelle de chaussée en béton de fraisat  a priori, l’hypothèse de départ consiste à conserver la valeur de kc. 15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC

Simulation de dimensionnement (1) Introduction Le béton de fraisat Utilisation en matériau routier Contexte Objectifs Caractérisation Modélisation Fatigue Fissuration Dimensionnement Simulation de dimensionnement (1) Le coût estimé des matériaux est de 80 €/t pour le ciment et 8€/t pour les granulats. Les fraisats sont supposés avoir un coût nul. 14,2 €/m2  13,0 €/m2  12,1 €/m2 - 8 % - 7 % 15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC

Simulation de dimensionnement (2) Introduction Le béton de fraisat Utilisation en matériau routier Contexte Objectifs Caractérisation Modélisation Fatigue Fissuration Dimensionnement Simulation de dimensionnement (2) Le coût estimé de l’acier est de 750 €/t 21,4 €/m2  20,4 €/m2 - 5 % 15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC

Conclusions générales Introduction Le béton de fraisat Utilisation en matériau routier Contexte Objectifs Caractérisation Modélisation Fatigue Fissuration Dimensionnement Conclusions générales Les différentes approches de modélisation permettent d’appréhender de façon rationnelle l’introduction des fraisats dans le béton. Les comportements en terme de fissuration et de fatigue permettent une meilleure connaissance du matériau béton de fraisat  Les bases du dimensionnement des chaussées incorporant du béton de fraisat sont posées. L’intérêt économique du recyclage des fraisats dans les bétons se confirme. 15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC