Recyclage des fraisats d’enrobés dans les bétons routiers.

Vincent Mathias – Thierry Sedran – François de LarrardLaboratoire Central des Ponts et Chaussées – Centre de Nantes – France

15 septembre 2004 Journée Technique du LAVOC 2

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

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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

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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.

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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).

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Résistance en compression

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Résistance en fendage

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Module élastique

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Notion d’IQE

G rave tra itée E , R t

S o l sup p o r t E 2= 1 0 0 M P a

IQ E

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Interprétation en terme d’IQE

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2 approches pour la modélisation

1. Le fraisat est un granulat classique : il y a pellicule de bitume autour du granulat naturel

2. 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

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Matrice cimentaire

granulats naturels

granulat de fraisat (granulat naturel +

pellicule de bitume)

Inclusions de bitume pur

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Modèle de résistance en compression développé par le LCPC

Bitume autour du granulat

• Bitume dans la matrice cimentaire

85,2

aec

cm β.vvv

vFc

m

m

q.Fc1

p.FcFc

85,2

baec

cm β'.vβ.vvv

vFc

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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

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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.

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Résultats des essais de fatigue

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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

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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

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Essais de retrait empêché : schéma du montage

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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.

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Résultats

• Premier essai : résultats similaires sur les deux barreaux (3 fissures).

• Deuxième essai terminé : une seule fissure (au même endroit) sur chaque éprouvette.

Éprouvette de béton de fraisat (50 %)

Éprouvette de béton témoin

1 35112 cm 45 cm 128 cm 63 cm

112 cm 46 cm 136 cm 54 cm2 46

Éprouvette de béton de fraisat (50 %)

Éprouvette de béton témoin

Éprouvette de béton de fraisat (50 %)

Éprouvette de béton témoin

11 3355112 cm 45 cm 128 cm 63 cm

112 cm 46 cm 136 cm 54 cm

112 cm 45 cm 128 cm 63 cm

112 cm 46 cm 136 cm

112 cm 45 cm 128 cm 63 cm

112 cm 46 cm 136 cm 54 cm22 4466

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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.

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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.

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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 %

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BF 0 330 : 22 cm

BF 0 220 : 15 cm BF 50 220 : 15 cm BF 100 220 : 15 cm

BF 50 330 : 27 cm BF 100 330 : 33 cm

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Simulation de dimensionnement (2)• Le coût estimé de l’acier est de 750 €/t

21,4 €/m2 20,4 €/m2

- 5 %

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BF 0 330 : 19 cm

BF 0 220 : 18 cm BF 50 220 : 18 cm

BF 50 330 : 25 cm

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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.

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