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Caractérisation multi-échelle des enrobés bitumineux à chaud contenant des granulats bitumineux recyclés et des bardeaux d’asphalte de post-consommation

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Daoudi, Abdeldjalil (2021). Caractérisation multi-échelle des enrobés bitumineux à chaud contenant des granulats bitumineux recyclés et des bardeaux d’asphalte de post-consommation. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’utilisation des granulats bitumineux recyclés (RAP) et des bardeaux d’asphalte de postconsommation (RAS) dans la formulation des enrobés est une bonne solution permettant la réutilisation des ressources non renouvelables. Au Québec, la législation permet de réutiliser jusqu’à 20% et 3% respectivement de RAP et RAS dans les enrobés pour couches de surface. Selon la norme LC 4202, 100% du bitume RAP est mobilisable tandis que pour le RAS ce pourcentage est estimé à 25%. L’objectif principal de cette thèse est de comprendre et d’évaluer les effets de l’addition combinée de RAP et RAS sur le comportement thermomécanique des enrobés.

La recherche bibliographique a permis d’identifier les principaux axes d’étude. Plusieurs travaux présents dans la littérature mettent en doute les taux de mobilisation proposés par la norme LC 4202. Ils soulignent que l’ajout des matériaux bitumineux recyclés conduit à une rigidification de l’enrobé final, conduisant à une chute de la résistance à la fissuration thermique. Ces constatations sont liées principalement à un mélange entre le bitume neuf d’apport et les bitumes recyclés. La bibliographie a permis également d’identifier des outils d’analyses comme l’utilisation des modèles rhéologiques et les équations de passage entre liants bitumineux et enrobé.

Un plan de travail multi-échelle est proposé, et comporte deux niveaux : celui du liant bitumineux (bitume et mastic) et celui de l’enrobé. D’abord à l’échelle du liant, une caractérisation conventionnelle, physico chimique et rhéologique a été réalisée sur les bitumes de bases et des mélanges entre eux. Deux lois de mélange sont proposées à l’issue de cette étude. Une loi linéaire permettant de prédire les paramètres et les caractéristiques non dépendant de la température, et une loi logarithmique pour ceux dépendant de la température. Ces lois sont également validées au niveau du mastic. Ce dernier, considéré comme le réel liant dans les enrobés, a permis de conclure que la rigidification notée à l’échelle enrobé n’est pas seulement causée par le mélange entre les bitumes, mais également par la présence d’un mastic différent par rapport à celui des enrobés neufs. Ensuite, un travail multi-échelle associant l’expérimental et la modélisation est proposé pour étudier le degré de mobilisation. Il est basé sur la caractérisation rhéologique à l’échelle de l’enrobé et l’échelle bitume, puis l’utilisation de la transformation SHStS afin d’aller d’une échelle à une autre. Il a permis de valider que le pourcentage de mobilisation des RAP est de 100% et plus que 50% pour le RAS. À l’échelle enrobé, le travail a été entrepris à différentes températures de caractérisation. Pour les températures de mise en oeuvre, l’ajout des RAP et RAS n’a montré aucun effet significatif sur la compactibilité dans les conditions d’essai étudiées. Pour les températures de service, comme prévu, une rigidification suivant des évolutions linéaires avec la teneur en matériaux recyclés est notée. Aux basses températures, des corrélations sont proposées entre les résultats d’essai de retrait thermique empêché et les résultats de module fluage calculé à partir du module complexe en utilisant des modèles rhéologiques. Cette méthode a permis de valider les craintes qui demeurent au niveau du comportement dans le domaine fragile.

Titre traduit

Multi-scale characterization of hot mix asphalt containing recycled asphalt pavement and recycled asphalt shingles

Résumé traduit

The use of recycled asphalt pavement (RAP) and recycled asphalt shingles (RAS) in the formulation of asphalt mixes is a good solution allowing the reuse of non renewable resources. In Quebec, the legislation allows the reuse up to 20% and 3% respectively of RAP and RAS in asphalt mixes for surface layers. According to LC 4202 standard, 100% of the RAP bitumen can be mobilised while for the RAS this percentage is estimated at 25%. The main objective of this thesis is to understand the effects of the combined addition of RAP and RAS on the thermomechanical behaviour of asphalt mixes.

The bibliographical research allowed to identify the main axes of study. Several works in the literature disagree about the mobilisation rates proposed by the LC 4202. They highlight that the addition of recycled bituminous materials leads to a stiffer final asphalt, causing a drop in thermal cracking resistance. These findings are mainly related to a blend between the virgin binder the recycled ones. The literature reviews also allowed to identify relevant tools for analysis such as the use of rheological models and multi-scale transition equations.

A multi-scale work plan is proposed, it includes binder scale (bitumen and mastic) and asphalt mix scale. First, at binder scale, a conventional, physicochemical and rheological characterization was carried out on the base bitumen and blends between them. Two blending laws were proposed. A linear law for predicting the parameters and characteristics non dependent on temperature, and a logarithmic one for those dependent on temperature. These laws are also validated at the mastic level. The latter, admitted as the real binder in asphalt mixes, allowed to conclude that the stiffening effect noted on the asphalt mix scale is not only caused by the blend between the bitumen but also by the presence of a different mastic compared to that of asphalt mixes without recycled materials. Then, a multi-scale work associating experimentation and the modeling is proposed to study the mobilisation rate. It is based on the rheological characterization at asphalt mix scale and bitumen scale, then the use of the SHStS transformation to go from one scale to another. It validated that the percentage of mobilisation of RAP is 100% and more than 50% for RAS. At asphalt mix scale, the work was performed at different characterization temperatures. At laying temperatures, the addition of RAP and RAS did not show any significant effect on compactibility under the test conditions studied. At service temperatures, as expected, a stiffening following linear evolutions with recycled materials content is noted. At low temperatures, correlations are proposed between the thermal stress restrained specimen test result and the creep modulus results calculated from the complex modulus using rheological models. This method allowed to validate the weaknesses noted in the literature of the mechanical behaviour of the asphalt mixes containing recycled materials in the fragile domain.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 311-325).
Mots-clés libres: caractérisation multi-échelle, RAP et RAS, comportement mécanique, degré de mobilisation, lois de mélange
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Carter, Alan
Codirecteur:
Codirecteur
Dony, Anne
Perraton, Daniel
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 05 oct. 2021 17:23
Dernière modification: 05 oct. 2021 17:23
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2731

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