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GRELLET DAMIEN

Évaluation de l’impact de la pression et des types de pneus sur la résistance en fatigue des

chaussées souples.

DÉPARTEMENT DE GÉNIE CIVIL

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1. Introduction

1.1 Présentation de l’étude

Les routes ont un rôle majeur dans le développement économique et social d’une région.

Elles subissent l’agression de plusieurs agents, dont le climat et les charges lourdes du trafic, qui endommagent la chaussée. Elles se doivent cependant de posséder une bonne résistance en fatigue et de conserver une capacité structurale et fonctionnelle suffisante pour assurer un déplacement sécuritaire et confortable pour les usagers. L’agressivité du trafic est variable au cours d’une année. C’est au cours du dégel que la situation est la plus nuisible car l’accumulation d’eau dans la structure entraine une perte de capacité structurale de la route, causant une intensification des dommages journaliers. La législation impose des restrictions sur la charge maximale admissible qui entrainent une perte de productivité de l’ordre de 40 millions pour le camionnage. En milieu urbain, les endommagements causés par le transport en commun sont aussi conséquents. La réhabilitation de toutes ces structures est couteuse.

Lors du passage d’un véhicule, par la théorie élastique multi-couches, les contraintes

maximales se situent en bas de la couche d’asphalte. C’est pourquoi les conceptions sont réalisées à partir des déformations calculées à ce niveau. Cependant, les phénomènes de fissuration de fatigue ne se produisent pas tous au bas de la couche, depuis plusieurs années des études cherchent à expliquer le phénomène de fissuration par le haut (Top-Down Cracking). Tous les types de chaussées sont sujettes à de la fissuration. L’apparition de ce phénomène variera en fonction de l’épaisseur d’asphalte, de l’âge de la chaussée, des conditions climatiques et du volume de trafic.

1.2 Objectifs de l’étude

Plusieurs approches visant à augmenter la résistance aux charges lourdes et au climat ont

été envisagés. L’une d’elle serait de modifier les caractéristiques des charges s’appliquant sur la chaussée. La répartition des contraintes au niveau de l’interaction chaussée-pneu est loin d’être idéale. Le premier objectif de l’étude est la conception d’une instrumentation permettant de suivre l’évolution des déformations au passage d’une charge. Par la suite, l’étude présentée a pour objectif de déterminer si la variation de la pression et du type de pneu a un impact significatif sur les déformations engendrées dans la structure de plusieurs types de chaussée souples, dans différentes conditions climatiques. La mise en avant d’une configuration de pneu, entraînant une diminution significative des déformations, sur une chaussée donnée, permettrait une plus grande souplesse dans les charges transportées par camionnage. En milieu urbain des modifications sur

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les véhicules de transport en commun limiteraient les endommagements sur les chaussées et une baisse des dépenses associées à la réhabilitation des voies.

2. Instrumentation et site expérimental

2.1 Site expérimental

Le Site Expérimental Routier de l’Université Laval (SERUL) est situé à la forêt Montmorency à la hauteur du kilomètre 103 de la route 175. Créé en 1998, ce laboratoire routier à été conçu pour expérimenter l’agressivité des véhicules lourds sur des structures routières définies (secteur AVL). Afin d’étudier l’impact des paramètres expérimentaux à l’étude sur des structures de chaussées variées, le site est constitué de quatre épaisseurs de revêtement (200mm, 100mm, 50mm et un revêtement de surface). Long de 100 mètres, ce secteur présente donc quatre sections de 25 mètres dont les profils sont donnés à la figure 1.

Figure 1: Structure du secteur AVL du SERUL

2.2 Instrumentation

2.2.1 Jauges à fibre optique

Afin de mesurer les déformations en traction et en compression s’exerçant dans la couche d’asphalte, des jauges de déformation ont été placées sur plusieurs niveaux de la couche de revêtement. Ces jauges sont disposées sur des carottes d’asphaltes conditionnées à cet effet. Les carottes d’enrobé bitumineux utilisées ont été prélevées sur place afin de garder une homogénéité

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des matériaux dans la zone de mesure. La base des carottes a été sculptée à l’aide d’une machine automatisée, pour accueillir parfaitement les anneaux comprenant les jauges de déformation. Une rainure a été creusée sur le coté de la carotte pour permettre le passage du câblage (figure 2). La disposition des jauges en croisillon permet à la fois de mesurer les déformations transversales et longitudinales au niveau de la fibre inférieure et supérieure de la couche d’asphalte (à l’exception de la section avec l’enduit superficiel).

Figure 2: Représentation schématique d'une carotte instrumentée

Les déplacements verticaux de la structure au passage d’une charge sont relevés grâce à la mise en place sous la couche de revêtement d’un déflectomètre. Ce capteur mesure la déformation verticale dans les 200 premiers mm de la fondation. Les données issues de ce capteur ne sont cependant pas analysées dans cette étude.

2.2.2 Capteur de teneur en eau et de température

La réponse d’une chaussée au passage d’une charge varie dépendamment des conditions extérieures et en particulier du climat. Pour suivre l’évolution de la teneur en eau dans la structure ainsi que la température du revêtement, des capteurs y sont placés. Le capteur de teneur en eau multi-niveau renvoie des données pour les profondeurs de 100, 200, 300, 400, 600 mm et 1 m. Ces deux capteurs sont donc placés proches des jauges, mais hors du sentier de roue pour ne pas affecter les résultats.

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2.2.3 Synthèse

L’étude analyse la réponse de plusieurs structures de chaussée. En particulier la hauteur de la couche de revêtement va varier de 50 mm à 200 mm. La figure 3 présente la disposition type au niveau d’une section d’étude. Le nombre de carottes instrumentées va varier dépendamment de la section étudiée.

Figure 3:Positionnement schématique de l'instrumentation sur une section d'étude : (a) teneur en

eau multi-niveaux, (b) teneur en eau au niveau de la fondation, (c) capteur de température, (d) carottes instrumentées, (e) déflectomètre.

3. Paramètres à l’étude La charge est appliquée au niveau de la structure par deux types de véhicules, un autobus

pour le réseau du transport en commun et un camion forestier pour le camionnage. Ces deux véhicules, pour reproduire des conditions réelles d’utilisation, ont été chargés par des poids pour l’autobus et des billes de bois pour le camion. En ce qui concerne l’autobus, la pression de gonflage de 100 Psi est testée ainsi qu’une pression réduite de 75 Psi. Le profil routier (regard, fissuration, ornière) entraine une sollicitation dynamique au niveau du véhicule. À chaque pression deux états de sollicitations sont donc appliqués pout l’autobus. Un obstacle, installé sur la chaussée, provoque un effet dynamique franc au passage des essieux. Plusieurs distances entre les jauges et l’obstacle sont étudiées pour quantifier différentes réponses de la suspension et de l’écrasement du pneu. Sans obstacle, l’état de sollicitation est dit statique. Le camion forestier, équipé dans un premier temps par des pneus jumelés, est testé avec une pression pour chaque

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essieu de 100 Psi, puis la pression des pneus du tridem est réduite à 55 Psi. Par la suite, le camion forestier est équipé avec des pneus à bandes larges à une pression de 100 Psi.

4. Protocole expérimental

4.1 Contrôle des paramètres extérieurs

La température du revêtement ainsi que la distance de passage du pneu par rapport au capteur sont deux paramètres influençant l’amplitude des déformations mesurées. C’est pourquoi la température de la couche bitumineuse à été maintenue à 12°C ± 2°C lors des essais de printemps contre 22°C±2°C lors de l’été à l’aide d’une couverture thermique recouvrant la section à l’étude. Le contrôle du passage du pneu sur les jauges à été assuré par vidéo. L’arrête du pneu se devait d’être située dans un offset de ± 50mm par rapport au centre de la jauge (et par conséquent de la carotte instrumentée) comme l’illustre la figure 3. Le temps d’application de la charge est directement relié à la vitesse du véhicule, c’est pourquoi la vitesse de déplacement du véhicule est maintenue à 30 km/h tout au long de l’étude.

4.2 Véhicules et pneus utilisés

Pour les essais, deux types de véhicules ont été utilisés, soit un autobus de modèle Nova LFS équipé de pneus Michelin XZU2 305/70R22.5, et un camion forestier du fabriquant Kenworth modèle T800 muni d’une remorque Trailex équipée de pneus Michelin XDA-HT 11R24.5 ou de pneus Michelin X one 455/55R22.5. Ces deux véhicules, pour reproduire des conditions réelles d’utilisation, ont été chargés par des poids pour l’autobus et des billes de bois pour le camion. Ainsi pour l’autobus, une charge de 2.20 tonnes et 4.04 tonnes a été obtenue pour l’essieu directeur et moteur respectivement. Le camion forestier présente pour le tridem du camion des charges par essieux de 7.22 tonnes, 6.66 tonnes et 7.12 tonnes.

4.3 Matrice d’essais

Afin d’évaluer l’impact de chaque paramètre à l’étude, plusieurs séries d’essais ont été réalisés au printemps et à l’été, pour lesquels un seul paramètre variait. Le tableau 1 et le tableau 2 présentent les matrices d’essais pour les deux types de véhicules.

Tableau 1: Matrice d'essais pour l'autobus

Autobus

Épaisseur de BB Pression de gonflage Distance de l'obstacle

100 mm 100 Psi et 75 Psi Sans obstacle

100 mm 100 Psi et 75 Psi 700 mm, 1200mm et 1700mm

200 mm 100 Psi et 75 Psi 700 mm, 1200mm et 1700mm

200 mm 100 Psi et 75 Psi Sans obstacle

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Tableau 2: Matrice d'essais pour le camion forestier

Camion forestier

Type de pneu Épaisseur de BB Pression de gonflage

Jumelé 100mm, 50mm et enduit Tandem moteur (100 Psi) Tridem remorque (100 Psi)

Jumelé 100mm, 50mm et enduit Tandem moteur (60 Psi) Tridem remorque (55 Psi)

Bande large 100mm, 50mm et enduit Tridem remorque à 100 Psi

5. Analyse des résultats

5.1 Véracité des signaux

L’analyse des déformations par mise en place dans la chaussée de jauges à fibres optique par carottage est une méthode innovante. Au passage d’une charge les signaux sont de la forme donnée à la figure 4. L’acquisition des données est réalisée à une fréquence de 500 Hz.

Figure 4: Signaux types : (a) Jauge longitudinale haut de la couche, (b) Jauge transversale haut de

la couche, (c) Jauge longitudinale bas de la couche, (d) Jauge transversale bas de la couche

L’instrumentation utilisée présente une très bonne fidélité puisque, pour deux passages situés à un offset donné de la roue, la différence d’amplitude des pics est inférieure à 2%. L’analyse des signaux à mis en avant l’importance de l’offset de la roue. Les signaux transversaux sont particulièrement sensibles à ce dernier. C’est pourquoi lors de l’analyse, la comparaison entre deux passages de la charge ne sera valide que pour un offset donné.

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5.2 Critère d’évaluation

Afin de quantifier l’influence des différents paramètres, des passages de références ont été effectués. Pour l’autobus la situation de référence correspond à la pression de 100 Psi, et pour le camion forestier à une pression de 100 Psi muni de pneu jumelé. À partir de ces passages un seul paramètre est modifié (pression, état de sollicitation ou type de pneu). L’amplitude des pics de déformation est mesurée pour chaque passage et le pourcentage des écarts est calculé (équation (1) et (2)) pour chaque jauge et arrondi à 5 %.

É𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 (%) = 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝑐𝑐𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 à 𝐴𝐴𝑐𝑐𝐴𝐴𝑝𝑝𝑝𝑝𝐴𝐴𝑝𝑝𝑝𝑝 𝐴𝐴𝐴𝐴 100 𝑃𝑃𝑝𝑝𝐴𝐴 –𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝑐𝑐𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 à 𝐴𝐴𝑐𝑐𝐴𝐴𝑝𝑝𝑝𝑝𝐴𝐴𝑝𝑝𝑝𝑝 𝐴𝐴𝑝𝑝𝐴𝐴𝐴𝐴𝑚𝑚𝐴𝐴é𝐴𝐴

𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝑐𝑐𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 à 𝐴𝐴𝑐𝑐𝐴𝐴𝑝𝑝𝑝𝑝𝐴𝐴𝑝𝑝𝑝𝑝 𝐴𝐴𝐴𝐴 100 𝑃𝑃𝑝𝑝𝐴𝐴 × 100 (1)

É𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 (%) = 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝑐𝑐𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 𝐴𝐴𝑝𝑝𝐴𝐴𝑐𝑐 𝐴𝐴𝐴𝐴𝑝𝑝 𝐴𝐴𝑝𝑝𝐴𝐴𝐴𝐴𝑝𝑝 𝑗𝑗𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴é𝑝𝑝 –𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝑐𝑐𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 𝐴𝐴𝑝𝑝𝐴𝐴𝑐𝑐 𝐴𝐴𝑝𝑝𝐴𝐴𝐴𝐴 à 𝑏𝑏𝑐𝑐𝑝𝑝𝐴𝐴𝐴𝐴 𝐴𝐴𝑐𝑐𝑐𝑐𝑙𝑙𝐴𝐴

𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝑐𝑐𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 𝐴𝐴𝑝𝑝𝐴𝐴𝑐𝑐 𝐴𝐴𝐴𝐴𝑝𝑝 𝐴𝐴𝑝𝑝𝐴𝐴𝐴𝐴𝑝𝑝 𝑗𝑗𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴é𝑝𝑝 × 100 (2)

Pour chaque jauge et pour chaque essieu, une valeur de cet écart est mesurée et l’ensemble des valeurs permettent d’obtenir une valeur moyenne ainsi qu’un écart type.

5.3 Effet de la pression des pneus

Analyse ponctuelle :

L’ensemble des mesures effectuées pour les différentes séries ont mis en avant que

l’amplitude des déformations mesurée pour les jauges longitudinales était plus grande que les jauges transversales. L’étude, se concentrant sur les phénomènes de fatigue en bas de la couche d’enrobé, ne va donc considérer que les jauges longitudinales situées au bas de la couche de revêtement. Pour l’autobus, les résultats montrent que la baisse de pression dans les pneus à bien pour effet de réduire les déformations en bas de la couche d’asphalte. Ces constatations sont valables quelque soit l’épaisseur d’asphalte étudiée et quelque soit l’état de sollicitation comme le présente le tableau 3.

Tableau 3: Synthèse des résultats pour l'autobus

Statique Dynamique

700 mm Dynamique 1200 mm

Dynamique 1700 mm

Section 100 mm

Printemps 0,8 % (5) 10,6 %(7) 10,8 % (9) -

été 5,0 % (6) - 8,8 % (10) 2,5 % (9)

Section 200 mm

Printemps 2,0 %(7) 15,8% (16) 8,3%(8) -

été 4,4 %(2) - 15,0 %(14) 5,8 %(7)

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Ce tableau présente les valeurs moyennes obtenues ainsi que les écarts types des

données entre parenthèses. Il apparait que la baisse de pression a, dans l’ensemble, plus d’impact au niveau de la section 200 mm par rapport à la section 100 mm et cela pour les deux conditions saisonnières et pour les différents états de sollicitations. Il est à noter que la baisse de pression dans les pneus a plus d’influence sur l’amplitude des déformations pour un état de sollicitation dynamique, puisque cette baisse est comprise entre 8% et 15% (obstacle situé à 700 mm et 1200 mm). Plus l’obstacle est placé loin des capteurs (à 1700 mm), plus l’écart tend à se rapprocher de celui à l’état statique. L’effet dynamique est moindre que proche de l’obstacle. Les écarts types sont plus importants pour l’état dynamique car l’impact de la roue avec l’obstacle va influencer la contrainte appliquée en surface. Entre autre, la suspension du véhicule va réagir différemment entre les deux états de sollicitations.

Pour le camion forestier, les conclusions de l’étude (tableau 4) confirment aussi que la baisse de pression des pneus jumelés a pour effet de réduire l’amplitude des déformations au bas de la couche d’asphalte.

Tableau 4: Synthèse des résultats pour le camion forestier

Pneu jumelé

Section 100 mm Section 50 mm

Printemps 8,8% (4) 14,4% (9)

été 10,8% (4) 16,7% (8)

Il ressort que la baisse de pression a plus d’impact sur la section avec un faible revêtement

(50 mm) dans les conditions printanières comme estivales. Selon les résultats obtenus, un tridem gonflé à 55 Psi engendra une baisse des déformations de 8% à 16% au niveau des jauges longitudinales situées au bas de la couche d’enrobé dépendamment de la saison et de l’épaisseur de celle-ci.

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Analyse des bassins transversaux.

Afin d’évaluer l’influence de la baisse de pression sur la largeur de la chaussée, l’offset de la roue à été modifié afin de couvrir une distance par rapport au flanc du pneu allant de -900mm à +600 mm. Ces données permettent de mettre en avant des zones plus sensibles à la baisse de pression (figure 5).

Figure 5: Bassins des déformations longitudinales pour 100 Psi et 75 Psi, au cours de l’été, en état

de sollicitation statique, (a): essieu avant, (b): essieu arrière

La lecture de ces bassins confirment bien que l’écart mesuré proche de l’arrête du pneu (en X=0) est de l’ordre de 5%. Il est noté cependant qu’au centre des pneus l’écart des déformations est respectivement de 17% et 14%. Il ressort de ces analyses que des phénomènes autres que la simple mise en tension de la fibre inférieure de la couche d’asphalte entrent en ligne de compte dans le schéma complexe de sollicitation de la structure de chaussée.

5.4 Effet du type de pneu

Analyse des bassins transversaux sur la section 100mm

Afin d’évaluer la différence s’exerçant au niveau de la répartition des déformations sur l’épaisseur de la couche d’enrobé, les bassins transversaux ont été mesurés pour les deux types de pneus du camion (figure 6).

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Figure 6: Bassins des déformations sur la section 100 mm (a): Positionnement des pneus au niveau du bassin, (b): Jauge longitudinale au bas de couche, (c): jauge longitudinale en haut de couche, (d) : Jauge transversale au bas de couche, (e): jauge transversale en haut de couche

Les courbes de la figure 6 permettent de relever pour un offset donné, l’écart des déformations entre les deux types de pneus (tableau 5)

Tableau 5: Différences mesurées ponctuellement sur la section 100 mm

Longitudinale basse Transversale basse

Offset 0 mm 150 mm -50 mm 80 mm

Printemps -21,30% - -15% -

été -24,20% -51% -55% 32%

Longitudinale haute Transversale haute

Offset 0 mm 100 mm -30 mm 15 mm

été 62% 27% -27% 25%

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Analyse des bassins transversaux sur la section 50mm

La section 50 mm présente des jauges transversales et longitudinales au bas de la couche

seulement. Les bassins transversaux de ces jauges sont présentés à la figure 7

Figure 7: Bassins des déformations sur la section 50 mm (a): Jauge longitudinale au bas de couche, (b): jauge transversale au bas de couche.

L’écart entre les deux courbes des déformations est mesuré ponctuellement à des points caractéristiques (tableau 6).

Tableau 6: Différences mesurées ponctuellement sur la section 50 mm

Longitudinale basse Transversale basse

Offset 0 mm 150 mm -50 mm 80 mm

Printemps -11,3% - -13,3% -

été -18,4% -40% -19,9% 35%

Jauge longitudinale en bas de couche

Le signal issu des pneus à bande large présente une forme similaire à celui engendré par les pneus jumelé. Compte tenu de la différence de surface au sol entre les deux empreintes (figure

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6.a), le bassin de déformation pour les pneus jumelés est plus important. Cependant, en termes d’amplitude du signal, les déformations sont plus faibles dans le cas des pneus jumelés. En été, cette différence est de l’ordre de -24,2% (section 100mm) et de -18,4% (Section 50mm) proche de l’arrête du pneu et atteint un maximum au centre des pneus avec un écart de -51% et -40%. Proche de l’arrête, le même phénomène est observé au cours du printemps avec un écart de –21,3% (tableau 5) et -11,3%. En termes de fatigue au niveau de la fibre longitudinale basse, le pneu à bande large est donc plus dommageable que le pneu jumelé.

Jauge transversale en bas de couche

Pour un offset inférieur à 100mm, les deux signaux présentent une forme similaire. Au delà de cet offset, le nombre insuffisant de points ne permet pas de tirer de conclusion. Au deçà de cet offset, les déformations changent de signe. Pour un offset inférieur à zéro, les déformations sont négatives (phénomène de compression) et les pneus jumelés sont moins dommageables que les pneus à bande large. À L’inverse, pour un offset supérieur à zéro, les déformations sont positives (phénomène de traction) et les pneus à bande large présentent des déformations de l’ordre de 30% inférieures aux pneus jumelés (tableau 5) sur la section 100mm ainsi que sur le 50mm. En zone de compression les écarts sont plus faibles pour la section 50 mm avec -20% contre -50% sur le 100mm. Il est important de noter que les déformations sont plus importantes sur la section 50mm.

Jauge longitudinale en haut de couche

Les déformations longitudinales situées en haut de couche sont négatives pour les deux

types de pneus (traction). Les deux signaux possèdent une forme similaire, la variation du signal est cependant différente. En effet, proche de l’arrête du pneu, les déformations sous le pneu large augmentent très brutalement. C’est pourquoi, pour des offsets proches de zéro, l’écart entre les types de pneus est de 60% alors que sous le pneu il n’est plus que de 27%. Sur l’ensemble du bassin, les pneus jumelés sont plus dommageables en termes d’amplitude de déformation que les pneus à bande large.

Jauge transversale en haut de couche

Les deux signaux présentent un pic de compression pour une offset négatif (vers -30 mm) et un pic de traction pour un offset positif (vers15 mm). En relevant les amplitudes de ces pics (tableau 5) les déformations causées par un pneu à bande large est plus faibles de 25% que celles des pneus jumelés pour la zone en traction. Cependant la situation est l’inverse en compression.

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6. Conclusion

La déformation de la fibre inférieure de la couche d'asphalte influence directement la durée de vie de la structure de chaussée. Des valeurs courantes de déformations relevées au bas de la structure d'asphalte ont été prises. Ces mêmes déformations ont été envisagées, mais avec des baisses homogènes aux différents gains enregistrés, suite aux variations de pression des pneus des véhicules. Lorsque la pression des pneus est abaissée, la durée de vie de la structure de chaussée est alors augmentée jusqu'à 30% pour certaines sections. Toutes ces constatations ne sont valables que pour la résistance en fatigue de la couche d'asphalte au niveau de sa fibre inférieure en se basant sur les amplitudes maximales observées. Cependant, il est important de considérer l’ensemble de la couche de revêtement.

Concernant les deux types de pneus étudiés, pour certaines zones, les pneus jumelés sont plus dommageables que les pneus à bandes larges et inversement. Des différences pouvant atteindre 40% à 50% sont observables. L’analyse des déformations à la base du revêtement n’est dans ce cas pas suffisante pour conclure sur l’impact de chaque type de pneu. Il est nécessaire de quantifier les différences sur l’ensemble de la couche et en particulier au niveau des efforts de surface, tel que le cisaillement s’exerçant sous le pneu. Ces derniers ne pourront être mis en évidence qu'au travers d'études spécifiques adaptées.