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Colloque GRINCH 2015
Programme et résumés des présentations
Par
Guy Doré
Alan Carter
Daniel Perraton
Michel Vaillancourt
Hassan Baaj
Claudiane Ouellet Plamondon
Université Laval
26 mai 2015
Colloque du Groupe de Recherche en Ingénierie des Chaussées 2015
Horaire des présentations – 26 mai 2015
Avant-midi
Heure
Durée Titre
Présentateur (s)
École
08:30
00:10
Présentation générale des activités de recherche à l'Université Laval
Guy Doré
UL
08:40
00:15
Présentation générale des activités de recherche à l'Université de Waterloo
Hassan Baaj
UW
08:55
00:10
Présentation générale des activités de recherche à l'École de Technologie
Supérieure
Alan Carter
ETS
09:05
00:10
Effet des charges en période de restriction des charges : Volet terrain
Mamadou Badiane
UL
09:15
00:15
Effet des charges en période de restriction des charges : Volet laboratoire
Ahmed El Youssoufy
UL
09:30
00:10
Evaluation of Pavement Damage under Freeze-Thaw Cycles
Saeed Badeli
ETS
09:40
00:10
Analyse des profils longitudinaux des chaussées pour caractériser la
dégradation du pergélisol et du gel saisonnier
09:50
00:10
Comportement mécanique des sols marginalement gelés
Laurie-Anne
Grégoire
Mathieu DurandJézéquel
10:00
00:20
Pause
10:20
00:15
10:35
00:15
10:50
00:15
11:05
00:15
11:20
00:20
11:40
00:10
11:50
12:00
Étude avancée de l'effet des charges sur la réponse mécanique et
l'endommagement des chaussées souples
Development of high performance asphalt mixes containing reclaimed asphalt
pavement for cold climate
UL
UL
Damien Grellet
UL
Saeed Saliani
ETS
Éric LachanceTremblay
ETS
Youness Berraha
ETS
William Bernard
ETS
Adhésion du bitume sur des granulats de verre recyclés
Laura Sapateiro
ETS
00:10
Evaluation of Using Recycled Glass in Pavement Structure
Sahar Mohsenian
ETS
01:00
Dîner (Disponible à la cafétéria du Pavillon Alphonse Desjardins)
Introduction projet verre - SAQ
Étude du comportement thermique d’une chaussée incorporant du verre de
post-consommation
Étude et caractérisation du granulat de verre de postconsommation comme
matériaux de corps de chaussées
2
Après-midi
Heure
Durée Titre
Présentateur (s)
École
13:00
00:15
Loriane Périer
UL
13:15
00:15
Benoît Loranger
UL
13:30
00:20
Formulation et caractérisation des enrobés recyclés à froid
Apparao Gandi et
Julien Kagabo
ETS
13:50
00:10
Techniques de protection du pergélisol: Revêtements à albédo élevé
Caroline Richard
UL
14:00
00:10
Techniques de protection du pergélisol: Dimensionnement des pentes
Florence Lanouette
UL
14:10
00:15
Techniques de protection du pergélisol: Extraction de chaleur
Vincent Lamontagne UL
14:25
00:10
Formulation et caractérisation d’enrobés coulés à froid 100% recyclés
14:35
00:10
Évaluation des performances des enrobés tièdes avec l’incorporation des
granulats bitumineux recyclés
Marie Quioc et Arbia
ETS
Garfa
14:45
00:20
Pause
15:05
00:15
15:20
Influence du débit et de la température de l'eau sur le régime thermique du sol
autour des ponceaux construits sur pergélisol
Utilisation de la géophysique gravimétrique pour la détection de glace massive
dans les sols pergélisolés
Sofiane Benyoucef
ETS
Développement d'outils de gestion du risque
Heather Brooks
UL
00:15
Développement d’un modèle de performance pour les chaussées bitumineuses
réhabilitées
Amel Ferjani
ETS
15:35
00:15
Caractérisation des matériaux bitumineux retraités à froid
Quentin Lecuru
ETS
15:50
00:40
Logiciels de dimensionnement des chaussées : OPECC et i3c-me
Emmanuel Dion et
Damien Grellet
ETS/UL
16:30
Fin du colloque – Merci à tous les participants
3
Résumé des présentations
4
Effet des charges sur les chaussées en période de restriction des charges :
Volet terrain
Mamadou Badiane, maîtrise UL
[email protected]
Directeur: Guy Doré - UL
Au Québec, les conditions climatiques ont une grande influence sur le comportement des
chaussées. En effet, avec la présence combinée d’eau, de sols gélifs et de températures
négatives pendant le gel, il y a formation de lentilles de glace. La présence de ces lentilles
de glace est à l’origine du soulèvement au gel. Pendant le dégel, avec l’accumulation d’eau
attribuable à la fonte de la glace, il y a une baisse de la capacité portante. Cet
affaiblissement au dégel rend la chaussée vulnérable à la sollicitation par le trafic lourd.
Afin de minimiser les dégradations de la chaussée, les administrations routières imposent
des restrictions de charges. L’objectif de ce projet est donc de développer un outil d’aide
pour la gestion des restrictions de charge en période de dégel en fonction des données
recueillies par les stations de météo routière. Les essais sont réalisés in-situ au Site
Expérimental Routier de l’Université Laval (SERUL). Le suivi se déroule sur deux saisons
printanières et deux saisons estivales. Il est réalisé sur des sections de chaussées ayant deux
épaisseurs différentes de revêtement bitumineux (100mm et 200mm). Pour bien interpréter
le comportement des structures, des jauges de déformations verticales et horizontales, des
jauges de contraintes et des jauges de teneur en eau ont été installées dans chaque couche,
en plus d’une station météo routière. Un déflectomètre à masse tombante (FWD) avec trois
niveaux de chargement (40, 53 et 71kN) est utilisé pour simuler le passage des charges
lourdes. Les résultats de la première année d’expérimentation ont montré qu’il y a une perte
de la capacité portante de la chaussée au printemps par rapport à l’été comprise entre 40%
et 59% dans les différentes couches de matériaux non liées. Aussi, une restriction des
charges de 8 à 20% d’une charge de 40kN pendant le dégel entraine une réduction des
dommages en fatigue de 20 à 52%.
5
Effet des charges sur les chaussées en période de restriction des charges :
Volet laboratoire
Ahmed El Youssoufy, maîtrise UL
[email protected]
Directeur : Guy Doré - UL
Afin de minimiser les dommages causés par les charges lourdes durant la période de dégel,
le Ministère des Transports du Québec impose une diminution des charges des véhicules
lourds. En utilisant plusieurs méthodes et techniques de mesure, le MTQ réalise le suivi du
gel/dégel dans la chaussée afin de déterminer la période de début de dégel et par conséquent
imposer la période de restriction des charges. Le présent projet de recherche intitulé « Effet
des charges sur les chaussées en période de restriction des charges » cherche à développer
un outil d’aide pour déterminer la période de restrictions des charges durant la période de
dégel en fonction des données recueillies. De plus, les activités cherchent à développer les
connaissances sur les mécanismes d’affaiblissement des chaussées au dégel sous les effets
de charges lourdes. À cet effet, une fosse d’essai routier a été construite au laboratoire de
géotechnique routière de l’Université Laval. Cette fosse d’essai est de dimension 2x2x6 m3
et est utilisée en combinaison avec un simulateur de charge de véhicules lourds mobile. La
structure de la fosse est constituée d’une couche d’enrobé bitumineux de 100 mm type EB10 (PG58-28), d’une couche de fondation de 200 (MG-20), d’une couche de sous fondation
de 450 mm (MG-112) et d’un sol d’infrastructure sable silteux (SM) d’une épaisseur de
1250mm. Le simulateur de véhicules lourds permet de contrôler la température sur la
chaussée en créant un environnement isolé. La chaussée a donc été gelée dans un premier
temps, et dégelée dans un deuxième temps. En appliquant une charge de 4000, 5000 et
5500 kg sur l’essieu mobile équipé de pneus jumelés roulant à une vitesse de 5,5 km/h, des
mesures de la réponse mécanique de la chaussée ont été prises sur des intervalles de temps
déterminés, en fonction de l’évolution du dégel. Les données mesurées sont la température,
les déformations, les contraintes et la teneur en eau à différents niveaux de profondeur dans
la chaussée.
6
Evaluation of Pavement Damage under Freeze-Thaw Cycles
Saeed Badeli
[email protected]
Directeur: Alan Carter - ÉTS
Co-directeur : Guy Doré - UL
Asphalt mixtures are temperature sensitive and have viscoelastic characteristics, so the
performance and characteristic of asphalt mixture are mostly affected from the influence
of nature phenomenon. In Canada, like in many other northern countries, freeze-thaw
cycles are common during spring. Also, it is believed that the number of freeze-thaw cycles
is increasing with the effect of climate change. Because of that, the actual methods to
predict the pavement distress may overestimate the pavement life. Fatigue cracking distress
is a fracture mechanism generated by a repeated application of tensile strains which are
less than the strength of the materials. The effect of environmental freeze-thaw cycle test
on the evolution of fatigue cracking has not investigated yet properly.
In this study, freeze-thaw cycles test will be used to simulate the effect of temperature and
moisture on asphalt fatigue resistance based on laboratory testing and empirical equations.
For the laboratory parts, a bituminous mix will be prepared and subjected to freeze-thaw
cycles. The cycles will be of different length, at different temperature, with and without
rest period, in dry condition and in water or in deicing solution. During the cycles, the
complex modulus will be evaluated, as well as the fatigue resistance and the tensile strength
by using the Wöhler’s law method. Wöhler law defines the fatigue resistance of an asphalt
mix by indicating the relationship between the fatigue life of the mixture and magnitude of
the applied strain. It is related to the initiation phase of the fatigue damage in the asphalt
material.
7
Analyse des profils longitudinaux des chaussées : Effet du gel saisonnier
et de la dégradation du pergélisol
Laurie-Anne Grégoire, maîtrise UL (en collaboration avec LVM)
[email protected]
Directeur : Guy Doré - UL
Ce projet de recherche consiste à élaborer un outil d’analyse et d’aide à la décision en
profilométrie qui contribuerait à localiser les zones sensibles au gel saisonnier et à la
dégradation du pergélisol, ainsi qu’à poser des diagnostics sur les causes de dégradations.
L’outil permettrait également de sélectionner les meilleures stratégies d’atténuation et de
réfection. Cette étude est faite en parallèle avec le programme de recherche en ingénierie
nordique Arquluk et la chaire de recherche industrielle i3C. La présentation décrira d’abord
l’approche expérimentale utilisée pour les travaux sur chaussées en contexte de gel
saisonnier. Par la suite, le volet pergélisol du projet sera présenté.
Gel saisonnier : Actuellement, au Québec, la méthode de diagnostic d’une section de route
gélive consiste à utiliser un seuil de ΔIRI calculé aux 100 m. Il faut tout d’abord savoir que
l’IRI est calculé à l’aide d’un modèle mathématique de la réaction d’un véhicule excité par
les variations de l’élévation du profil de la chaussée. Le ΔIRI est alors la différence entre
l’IRI calculé l’hiver et l’IRI calculé l’été à un même endroit sur une chaussée. La méthode
d’analyse choisie est l’analyse par longueurs d’onde, qui consiste à diviser le profil en
plusieurs bandes de longueurs d’onde pour voir l’impact de chaque bande sur le profil
original.
Pergélisol : L’analyse des profils par longueurs d’onde permettra de caractériser
l’évolution de la dégradation de la chaussée sur pergélisol et d’identifier quelles sont les
caractéristiques typiques des signaux obtenus sur des profils mesurés dans ce contexte de
sols particuliers.
8
Comportement mécanique des sols marginalement gelés
Mathieu Durand-Jézéquel, maîtrise UL
[email protected]
Directeur : Guy Doré - UL
L’étalement des remblais par rotation et fluage des épaulements est un problème important
en régions de pergélisol. Ce mécanisme contribue à réduire la capacité fonctionnelle et la
durée de vie des remblais, augmentant ainsi considérablement les coûts d’entretien de ces
structures. Le problème, relativement bien documenté dans la littérature, est généralement
attribué au fluage des épaulements sous le poids statique du remblai. Peu d’information est
disponible sur l’effet de la charge dynamique induite par le passage répété des véhicules
lourds et des trains circulant sur ces remblais. L’objectif principal du projet est de quantifier
l’effet de la charge déviatorique répétée sur le comportement mécanique des sols
marginalement gelés. Des essais sur des sols reconstitués seront effectués en laboratoire.
Les sols utilisés seront des silts avec une teneur en eau qui assurera une saturation complète.
Les échantillons seront gelés, puis placés en cellule triaxiale à une température homogène
d’environ -0,5 °C. Cette température près du point de congélation est utilisée pour simuler
le comportement du pergélisol qui se trouve tout juste sous la couche active en été, c’està-dire le sol le plus susceptible de se déformer par fluage. La particularité de ces essais est
le fait qu’ils seront drainés par la base, afin de permettre à l’eau non gelée au sein de
l’échantillon de pouvoir être expulsée. Un système de fil chauffant assurera un drainage
efficace même dans un environnement sous 0 °C, tandis que des contrôles de température
indépendants de la base drainante, de la tête ainsi que du corps de l’échantillon assureront
une homogénéité de la température de l’échantillon durant toute la durée des essais.
9
Étude avancée de l'effet des charges sur la réponse mécanique et
l'endommagement des chaussées souples
Damien Grellet, doctorat UL
[email protected]
Directeur : Guy Doré - UL
L’analyse de l’endommagement des chaussées, sous le passage répété des charges lourdes
nécessite l’identification des sollicitations s’exerçant dans les couches bitumineuses. Ce
projet, réalisé en collaboration avec l’IFSTTAR et plus spécifiquement avec l’équipe et les
infrastructures du manège de fatigue situées à Nantes (France), a comme premier objectif
de développer et valider une instrumentation permettant une lecture finie et précise des
déformations s’exerçant dans l’enrobé bitumineux au passage de plusieurs types de charges
lourdes et sous plusieurs conditions environnementales. L’association de deux types
d’instrumentation à fibres optiques permettant la mesure des déformations au bas des
couches de revêtement, à deux centimètres sous la surface ainsi que de part et d’autre d’une
interface entre deux couches bitumineuses, a répondu à ce premier objectif. Le second
objectif est d’analyser et de modéliser le comportement viscoélastique des couches
bitumineuses et de leur interface via l’interprétation des déformations mesurées.
L’intégration, dans une modélisation de la structure de chaussée, d’une interface
viscoélastique d’une très faible épaisseur entre les couches bitumineuses a permis une
bonne corrélation entre les résultats obtenus avec le logiciel ViscoRoute 2.0 et les mesures
expérimentales. Pour rencontrer ces deux objectifs, les mesures ont été réalisées sous
quatre niveaux de tonnage appliqués sur des essieux équipés dans un cas d’un pneu simple
à bande large puis dans un second cas avec des pneus jumelés. L’ensemble des mesures
ont été réalisés pour plusieurs vitesses de charge et pour trois niveaux de températures sur
quatre structures de chaussée ayant des épaisseurs de revêtement variant entre 50 mm et
200 mm. Le troisième objectif du projet est d’appliquer la modélisation afin d’obtenir les
contraintes en traction et en cisaillement proche des pneus pour différents types d’essieux
et de chargements et d’utiliser des critères de rupture afin d’expliquer le mécanisme de
fissuration s’initiant proche de la surface.
10
Development of high performance asphalt mixes containing reclaimed
asphalt pavement for cold climate
Seyed Saeed Saliani, doctorat ÉTS
[email protected]
Directeur: Alan Carter - ÉTS
Codirecteur : Hassan Baaj - UW
Nowadays, it is common to add reclaimed asphalt pavement (RAP) in asphalt mixes
without changing the modulus and the low temperature properties. Not only will those
mixes are able to make roads last longer, but they are a greener alternative to usual mixes.
In order to make a flexible pavement design, the mixture behaviour is usually characterized
with the complex modulus. To have a high modulus mix, you need to control the gradation
precisely, and to use a binder that has a high modulus without becoming brittle at low
temperature. As of now, those binders exist only in research labs and they are very
expensive.
The objective of this study is to design a high modulus asphalt mixes with high percentage
of reclaimed asphalt (RAP), and to evaluate the possibility to use a rejuvenator that gives
flexibility to the binder without affecting its modulus. Also, in this study, we will optimize
the gradation in function of air voids content and model complex modulus according to the
hot mix asphalt mix design with reclaimed asphalt. Afterwards, the use of rejuvanators will
be studied with the same rheological tests. The analysis of those tests, combine with a
chemical analysis of the rejuvanators and the binders used should enable us to better
understand the interaction between all the products in the mixes. The modeling of the
complex modulus, used in pavement design, will be done in function of the characteristics
of the mix (air voids, gradation, amount of binder, etc.) as well as a function of the
fundamental properties of the RAP binder such as asphaltene content. As result, the mixed
modeled to have high performance mixes without the use of expensive binder and with use
of the stiffness of the RAP to gain high modulus without impairing the thermal cracking
resistance.
11
Étude du comportement thermique d’une chaussée incorporant du verre
de post-consommation
Youness Berraha, maîtrise ÉTS
[email protected]
Directeur : Michel Vaillancourt – ÉTS
Codirecteur : Daniel Perraton – ÉTS
Dans les pays nordiques et notamment au Québec, l’apparition avec l’hiver des
températures froides se traduit par la pénétration du gel dans les chaussées et leurs sols de
fondation. Dans ces conditions, de courtes périodes de redoux surviennent et la répétition
de ces cycles de gel-dégel contribue à la diminution de la capacité portante de la structure
de chaussée. D’autre part, 200 millions de bouteilles de verre ont été récupérées en 2012 1
et les usines de recyclage ne sont pas en mesure de traiter tout ce verre de
postconsommation.
Afin de valoriser ce verre non recyclé, nous proposons ici de mettre à profit ses propriétés
thermiques dans le but de réduire l’impact des cycles de gel-dégel. Pour ce faire, des essais
de conductivité et de capacité thermique ont été réalisés sur des mélanges de matériaux
granulaires et de particules de verre (MGV) ainsi que sur des mélanges enrobés/verre
(MEV). Ces essais ont permis de caractériser thermiquement ces mélanges, et ce pour
différents dosages en verre. Suite à ces essais, une étude paramétrique a été menée via des
simulations numériques pour connaitre l’influence de l’incorporation de MGV ou de MEV
sur la propagation des flux thermiques dans la chaussée.
À travers l’analyse des profils de températures à différents instants et à différentes
profondeurs, nous mettons en évidence l’influence de certains paramètres (dosage en
particules de verre ou profondeur de la couche de MGV ou MEV) sur la propagation du
front de gel. Nous avons montré le potentiel apporté par l’intégration d’un matériau à faible
conductivité thermique tel que le verre dans le comportement thermique de la chaussée.
L’objectif final est de coupler les résultats de ces simulations thermiques à des
modélisations mécaniques et hydriques afin de confirmer ou d’infirmer l’intérêt de
valoriser le verre en tant que substitue d’une partie des granulats présents dans les
chaussées.
12
Étude et caractérisation du granulat de verre de postconsommation
comme matériaux de corps de chaussée
William Bernard, maîtrise ÉTS
[email protected]
Directeur : Michel Vaillancourt - ÉTS
Codirecteur : Daniel Perraton – ÉTS
Dans le cadre de ce projet au sein du LCMB, l’objectif est d’étudier la possibilité de
l’utilisation de granulat de verre de postconsommation comme matériaux de corps de
chaussées. Plusieurs mélanges de granulats incorporant différents pourcentages massiques
de verre (0 ; 25 ; 50 ; 75 et 100 %) ont été caractérisés du point de vue des propriétés
géotechniques et du point de vue granulaire. Ainsi, il a été possible d’évaluer l’influence
de l’ajout de verre sur les propriétés du mélange granulaire.
L’aptitude au compactage et l’influence de la teneur en eau sur celle-ci ont été déterminées
à l’aide de l’essai proctor modifié. Le bris des particules lors de la compaction a également
été étudié. Ensuite, l’essai de cisaillement direct a permis d’obtenir les paramètres de
résistance au cisaillement (cohésion et angle de frottement interne) des différents mélanges
granulaires. Enfin, la friabilité et l’usure par attrition ont été mesurées afin de vérifier si les
différents mélanges de granulats répondent aux exigences du Ministère des Transports du
Québec. Les résultats montrent qu’avec l’ajout de verre, la densité sèche maximale, la
sensibilité à l’eau de l’aptitude au compactage et l’angle de frottement interne diminuent.
La plus faible densité sèche obtenue s’explique en partie par une masse volumique brute
des granulats de verre plus faible. La résistance au cisaillement, bien qu’inférieure pour les
granulats de verre, reste proche de celle obtenue avec les granulats standards. Enfin,
concernant la durabilité des granulats, caractérisée à l’aide de l’usure par attrition et la
friabilité, le verre répond aux exigences du Ministère des Transports du Québec. De plus,
il s’avère également être plus performant que les granulats de calcaire, utilisés comme
comparaison, et donc plus résistant aux chocs.
Ainsi, au vu des résultats obtenus, nous pouvons conclure que l’utilisation de granulats de
verre recyclés, au sein du corps de la chaussée, semble être possible jusqu’à hauteur de
75%.
13
Adhésion du bitume sur des granulats de verre recyclés
Laura Sapateiro, stagiaire ÉTS
[email protected]
Directeur: Michel Vaillancourt – ÉTS
Codirecteur : Daniel Perraton - ÉTS
Le but à terme de ce projet serait de pouvoir recycler le verre de postconsommation en
l’utilisant partiellement à la place du granulat conventionnel utilisé dans les enrobés
bitumineux. On s’intéresse ici aux propriétés d’adhésion entre le verre et le bitume, ainsi
que l’influence de l’eau sur celles-ci. Nous partons tout d’abord de l’hypothèse que le verre
a une adhésion inférieure à celle du granulat utilisé avec le bitume.
Pour vérifier et quantifier cela, nous allons effectuer un essai de Bitumen Bond Strength
qui est un dérivé de l’essai PATTI (Pneumatic Adhesion Tensile Testing Instrument). Cet
essai consiste à quantifier la force permettant de séparer un bitume collé à une plaque de
verre dans le cas d’une faille adhésive (faille se situant à l’interface entre le bitume et la
plaque de verre). Nous effectuerons cet essai dans les conditions sèche et mouillée avec
différents temps de conditionnement dans l’eau.
De plus, nous voulons mesurer l’angle de contact formé entre une goutte de bitume et une
plaque de verre. Celui-ci étant relié à la tension d’adhésion entre les deux matériaux, nous
pourrons ainsi confronter les deux essais. Ceci permettra par la suite de faire des essais à
l’échelle d’un enrobé contenant du verre.
14
Evaluation of Using Recycled Glass in Pavement Structure
Sahar Mohsenian H.A, doctorat ÉTS
[email protected]
Directeur : Michel Vaillancourt - ÉTS
Codirecteur : Alan Carter - ÉTS
The ever increasing volume of waste materials, the shortage of landfill spaces and the
limitation of natural resources motivate researchers to find innovative ways for recycling
and reusing waste materials like waste glass. Using glass as an aggregate in the pavement
structure is an innovative method of recycling, and helps to reduce landfill sites.
Furthermore, Recycled glass based on its engineering properties seems to be a good
candidate for the use an aggregate in pavement structure and contribute to preventing frost
action, which is a common occurrence within pavement structure in cold region.
The main objective of my research is the study of pavement performance when recycled
glass is used as an aggregate in its structure. Specifically, the objectives of this research
are outlined as follows:
1) Evaluating the possibility of using recycled glass as an aggregate in unbound layers of
pavement considering three aspects, mechanical, hydraulic and thermal;
2) Evaluating the effects of using recycled glass to improve the drainage and also to
change the thermal regime of pavement structure and studying its effects to prevent
frost action;
3) Investigating the potential for using recycled glass as an insulation layer in pavement
structure
Two steps are considered in my thesis, experimental phase and numerical phase. In the first
step an extensive set of geotechnical engineering laboratory tests will be conducted on
recycled glass and its blends with natural aggregates. Afterwards, recycled glass will be
studied as an insulation layer to keep underlying layers temperature under the freezing
temperature and also as a boundary to reduce capillarity action from subgrade through base
and subbase materials. In the second phase of my thesis, numerical modeling will be done
to investigate the mechanical-thermal-hydraulic behavior of pavement structure with
recycled glass.
15
Influence de la circulation de l’eau sur le régime thermique autour de
ponceaux construits sur pergélisol
Loriane Perier, maîtrise UL
[email protected]
Directeur : Guy Doré - UL
La construction d’ouvrages en présence de pergélisol représente un défi important dans les
régions nordiques. L’apport de chaleur que peuvent induire les infrastructures routières est
susceptible d’affecter le régime thermique du sol sous-jacent. Les changements touchants
l’équilibre thermique du sol entrainent la fonte du pergélisol et, par conséquent, la
dégradation de l’infrastructure.
Sur l’Alaska Highway au Yukon (Canada), des problèmes d’instabilités sont observés aux
abords des ponceaux. En autorisant la libre circulation de l’air et de l’eau à travers une
conduite, des perturbations thermiques additionnelles sont infligées au sol environnant.
Des conditions de drainage de l’eau inadéquates contribuent à la sévérité des dégradations.
Deux ponceaux ont été choisis et instrumentés sur l’Alaska Highway. Les températures du
sol autour des ponceaux ont été enregistrées chaque heure pendant une année ; tandis que
la température de l’eau et le débit ont été enregistrés pendant deux printemps et étés. La
collecte de ces données a permis de valider un modèle mathématique établit liant le débit
et la température de l’eau avec le flux de chaleur transmis du ponceau vers le sol.
En parallèle, un modèle 2D a été développé sur le logiciel TEMP/W de GeoStudio et validé
avec les données de terrain. Des simulations de variation de débit et de température de l’eau
ont été introduites dans le modèle mathématique pour obtenir de nouveaux flux thermiques.
Ces différents flux ont été appliqués dans le modèle thermique 2D afin de déterminer
l’influence du débit et de la température de l’eau sur les températures du sol sous le
ponceau. Des simulations similaires ont été conduites en faisant varier des paramètres de
conception comme la présence ou non de l’isolant ainsi que son emplacement.
Finalement, les conclusions suivantes ont été tirées : le régime thermique du sol semble
être très sensible à la variation des températures de l’eau et moins sensible à celles du débit.
Finalement, la présence de l’isolant a un impact considérable sur la réduction de la
profondeur de dégel.
16
Utilisation de la géophysique gravimétrique pour la détection de la glace
massive dans les sols pergélisolés
Benoît Loranger, maîtrise UL
[email protected]
Directeur : Guy Doré - UL
D'un point de vue d'ingénierie, l'information la plus importante pour gérer la construction
et l'entretien des infrastructures de transport dans les régions nordiques est la localisation
et le contenu en glace du pergélisol riche en glace.
Le projet fait partie d'Arquluk, programme de recherche en ingénierie nordique, et utilise
la microgravimétrie pour détecter la glace massive enfouie et le pergélisol riche en glace.
Cette méthode géophysique détecte, dans le sol, des anomalies entre des matériaux de
masse volumique différente. La glace étant environ la moitié de la masse volumique du sol
environnant, des anomalies gravimétriques négatives correspondant à la présence de glace
enfouie sont détectables. Un gravimètre Scintrex (CG5) a été utilisé pour l'acquisition des
données.
Des données ont été recueillies au Yukon (Dry Creek) et au Groenland (Kangerlussuaq) où
la présence de pergélisol riche en glace et de glace massive enfouie a été validée par des
forages et des mesures de résistivité.
17
Evaluation and Optimization of Cold Recycled Bituminous Mixes in
Function of Stiffness and Curing Methodology
Apparao Gandi, doctorat ÉTS
[email protected]
Directeur: Alan Carter – ÉTS
Codirecteur : Dharamveer Singh – ITT Bombay (Inde)
Most of the work done on Canada’s road network can be categorized as maintenance or
rehabilitation. Because of this, a lot of research is being undertaken on many different
aspects of pavement maintenance and rehabilitation in order to increase the lifespan of
what is already built. Particularly, Cold In-place Recycling (CIR) and Full-Depth
Reclamation (FDR) of asphalt pavements are famous design alternatives for road
rehabilitation. These techniques have shown huge potential saving money and material,
and allowing a convenient way of fixing proper grade and cross slope to highway.
However, even if many successful projects were completed with these techniques, there
are still some problems are not addressed by the researchers on the subject. One of the areas
where much work is needed is in the understanding and the modeling of the behavior of
those materials at young age. Those two materials, mostly when treated with asphalt
emulsion, have evaluative characteristics with time, which is mostly linked to their water
content. The mix design for CIR and FDR is still mostly based on experience, which makes
difficult the use of new materials. The main objective of this research project is to
characterize and to model the rheological properties of CIR and FDR materials treated with
asphalt emulsion or with foamed asphalt. The results from the research will contribute to a
better understanding of the mix design method based on the gyratory compactor; To
establish a complex modulus, rutting resistance and fatigue resistance testing method and
setup well adapted for CIR and FDR materials; To evaluate the effect of the water content
on the rheological properties of CIR and FDR materials; Furthermore, research outcome
will help to develop mechanistic-empirical pavement design methods.
18
Stabilisation thermique des infrastructures de transport construites sur
pergélisol instable à l’aide de surfaces à albédo élevé
Caroline Richard, maîtrise UL
[email protected]
Directeur : Guy Doré - UL
Depuis plusieurs années, les conséquences du réchauffement climatique se font sentir dans
le Nord canadien. Les risques associés à l’augmentation de la température affectent la
sécurité des infrastructures de transport. Les tassements causés par le dégel du pergélisol
et la consolidation des sols réduisent la capacité fonctionnelle du revêtement de la
chaussée. Afin de diminuer ces impacts les impacts liés à la modification du régime
thermique du sol sous la chaussée, les surfaces à albédo élevé peuvent être utilisées dans
le but de limiter l’absorption de chaleur provenant de la radiation solaire.
L’objectif principal du projet est de développer des outils d’adaptation efficaces, à l’aide
de surfaces à albédo élevé, pour la stabilisation thermique des chaussées construites sur
pergélisol sensible au dégel. Des sections d’essais situées à la Forêt Montmorency (Parc
des Laurentides, Québec), sur l'autoroute de l’Alaska (Beaver Creek, Yukon) et à Tasiujaq
(Nunavik, Québec) permettront de documenter l’efficacité et la durabilité des matériaux de
revêtement à albédo élevé. Ces sections d’essais seront instrumentées de thermistances
mesurant les températures de surface. L’albédo, l’adhérence et la texture seront également
mesurés. En parallèle avec l’expérimentation faite sur le terrain, un programme de
laboratoire sera entrepris en vue d’élaborer un ensemble de spécifications techniques pour
les matériaux de revêtement à albédo élevé. Des protocoles pour quantifier les propriétés
de ces produits seront développés afin de produire une gamme de spécifications pour
soutenir la mise en œuvre et l’implantation des revêtements à albédo élevé en régions
nordiques.
La visée de ce projet de recherche est de proposer des outils d’adaptation en vue de
diminuer les températures de surface et ainsi limiter la quantité de chaleur accumulée par
le sol durant l'été. L’accomplissement du projet permettra de développer une méthode
d’intervention pour stabiliser les infrastructures de transport basé sur un cycle de vie utile
adéquat du revêtement. Le produit escompté fournira aux ingénieurs une gamme d’outils
permettant de limiter la dégradation du pergélisol et ainsi préserver les routes et pistes
d'atterrissage des régions nordiques.
19
Conception d’infrastructures linéaires de transport construites sur le
pergélisol en tenant compte de l’accumulation de neige le long des
remblais
Florence Lanouette, maîtrise UL
[email protected]
Directeur : Guy Doré - UL
Co-directeur : Daniel Fortier - UdM
Dans les régions nordiques, les infrastructures de transport jouent un rôle prédominant pour
la subsistance, le développement économique et le maintien d’une qualité de vie des
populations. Néanmoins, leur présence induit des perturbations de la température du sol.
Combinée aux changements climatiques, cette modification de l’équilibre thermique
engendre la dégradation du pergélisol sous-jacent affectant la capacité portante du sol
d’infrastructure, pouvant ainsi causer des tassements importants endommageant
significativement les infrastructures. Un impact notable de la construction d’une route ou
d’une piste d’atterrissage est qu’en faisant obstacle au vent, elles favorisent l’accumulation
de neige le long de la pente du remblai à l’abri des vents dominants. L’entretien des voies
de circulation en hiver contribue aussi à augmenter l’épaisseur de neige au pied du remblai.
Cet épaississement localisé du couvert neigeux accroît significativement la rétention de
chaleur dans le sol grâce aux propriétés isolantes de la neige. Le sol ne peut donc plus se
refroidir autant en hiver et le pergélisol se dégrade préférablement sous la pente et le pied
du remblai. L’objectif de la recherche est de développer une procédure de design
permettant de prendre en compte cette accumulation de neige le long des remblais.
L’approche générale du projet repose sur l’utilisation d’un modèle bidimensionnel réalisé
à l'aide du logiciel de modélisation géothermique TEMP/W représentatif du régime
thermique dans la neige et le sol sous-jacent au pied du remblai. Ce modèle est calibré à
l’aide de données thermiques collectées durant l’hiver 2014-2015 à deux sites d’études : le
long de la piste d’atterrissage de Tasiujaq au Nunavik et le long de l’autoroute de l’Alaska
à Beaver Creek au Yukon. Une fois le modèle jugé adéquat, des analyses de sensibilité sont
accomplies afin de quantifier l’impact des paramètres de conception associés à la géométrie
du remblai tels que la hauteur et l’angle des pentes.
20
Suivi du comportement thermique de l’adaptation aux changements
climatiques de la route d’accès de l’aéroport de Salluit au Nunavik,
Québec
Vincent Lamontagne, maîtrise UL
[email protected]
Directeur : Guy Doré - UL
La route d’accès à l’aéroport de Salluit traverse, à flanc de pente, un dépôt d’argile instable
au dégel. Cette route est le seul accès terrestre entre le village de Salluit et l’aéroport. Les
changements climatiques et la construction du remblai routier ont conjointement contribués
à la dégradation du pergélisol en-dessous de l’infrastructure altérant cette dernière
précocement. Afin d’assurer la pérennité et la sécurité de la route, le Ministère des
Transport du Québec (MTQ) a effectué des travaux de réhabilitation dont la mise en place
d’un drain thermique (côté aval) et l’adoucissement de la pente du côté aval.
Ce projet permettra de documenter l’efficacité du drain thermique afin d’en améliorer la
conception, si besoin. Pour effectuer le suivi du comportement thermique du remblai et
évaluer l’efficacité du drain thermique, des câbles à thermistances verticaux et horizontaux
ont été installés pour mesurer la température du remblai et du sol. Des thermistances ont
également été installées directement dans le drain thermique enregistrant la température de
l’air dans ce dernier. Un câble à fibre optique "Distributed Temperature Sensing" (DTS),
permettant de mesurer la température du sol en tout point en bordure de la route a également
été mis en place. Les thermistances et la fibre optique laissent présager que le drain
thermique est efficace. En effet, elles montrent une remontée du plafond du pergélisol. De
plus, les conditions nécessaires à l’établissement d’un mouvement convectif de l’air
permettant au drain thermique d’être performant sont présentes.
21
Formulation et caractérisation d’enrobés coulés à froid 100% recyclés
Marie Quioc, Stagiaire ÉTS
[email protected]
Arbia Garfa, doctorat ÉTS
[email protected]
Directeur : Alan Carter - ÉTS
Codirecteur : Anne Dony – ESTP (France)
Les enrobés coulés à froid, appelé ECF, sont une technique de revêtement de surface
destinée à apporter une bonne adhésion aux routes. Ils consistent en une mince couche de
quelques millimètres d’épaisseur et permettent de réparer les défauts structuraux et
superficiels des routes. La qualité des routes reste correcte pendant nettement plus
longtemps si une couche d’ECF est appliquée régulièrement, à long terme le coût est
nettement diminué. De plus, cette technique permet un gain d’énergie car elle se fait à
température ambiante. Dû à ces avantages, l’utilisation des ECF devrait augmenter au fur
et à mesure du temps.
C’est pourquoi, l’objectif de ces travaux est de trouver une formulation d’un ECF 100%
avec des matériaux recyclés et donc de rendre cette technique le plus écologique possible.
Cette nouvelle formulation doit vérifier les critères imposés par The International Slurry
Surfacing Association (ISSA).
La complexité et le manque d’information de l’interaction entre les constituants du
mélange rendent la formulation difficile à déterminer. C’est dans cet objectif que plusieurs
formulations ont été faites afin de trouver celles avec les proportions optimales. La
méthode consiste à déterminer laquelle présente les meilleures performances en fonction
de sa composition granulaire, son taux d’émulsion bitumineuse, le pourcentage d’eau, la
teneur en ciment et d’autres additifs qui permettent la restauration du bitume vieilli. Leur
performance est déterminée par les essais suivants : essai de déplacement, essai d’abrasion
et essai de cohésion.
Après l’analyse des résultats des essais, une formulation a été retenue. La formulation
sélectionnée répond aux normes ISSA des essais de déplacement et d’abrasion. En
revanche, il est nécessaire de trouver un moyen d’augmenter la cohésion des échantillons
qui ne répond pas à la norme.
22
Évaluation des performances des enrobés tièdes avec l’incorporation des
granulats bitumineux recyclés
Sofiane Benyoucef, doctorat ÉTS
[email protected]
Directeur : Alan Carter - ÉTS
Codirecteur : Daniel Perraton - ÉTS
Codirecteur : François Olard – Groupe Eiffage (France)
La demande de trafic augmente de jour après jour avec le développement économique et
sociologique des régions. Pour répondre à ces besoins, les administrations routières se
trouvent face à des défis incontournables. Le maintien du confort au roulement dépend
essentiellement des budgets alloués à l’entretien et la réhabilitation des réseaux routiers,
qui sont souvent limités. Le besoin de développement des techniques à la fois économique
et efficace s’avérait nécessaire depuis plusieurs décennies. Grâce aux efforts et recherches,
plusieurs techniques de construction et de réhabilitation ont vu le jour. Parmi ces
techniques, la technique de fabrication des enrobés tièdes.
Les enrobés tièdes regroupent les différents procédés de fabrication et de pose des
mélanges bitumineux à une température relativement réduite de 20° à 40°C par rapport à
celle d’un enrobé conventionnel à chaud. Cette réduction de température engendre une
réduction de consommation d’énergie et des émissions de gaz à effet de serre. La possibilité
de l’incorporation des granulats bitumineux recyclés dans ces mélanges est un autre
avantage à considérer de façon sérieuse. Actuellement au Québec l’adoption de la
technique des enrobés tièdes reste toujours faible et se limite sur quelques projets
expérimentaux réalisés depuis 2005. De plus, le recyclage des anciens enrobés dans de
nouveaux mélanges est limité à 20% de la masse des granulats, tandis que, dans le cas des
couches de surfaces des autoroutes, ce pourcentage passe à 10%.
Tout en gardant les mêmes caractéristiques habituelles d’un enrobé : la rigidité, la
durabilité et l’ouvrabilité, le projet de recherche évaluera la qualité du moussage des
bitumes, l’évolution de l’effet du moussage dans le temps et les performances à basses et
hautes températures des enrobés tièdes moussés avec des granulats bitumineux recyclés en
dépassant les limites de dosage normatives.
23
Quantitative Risk Analysis of Linear Infrastructure from Geotechnical
Properties to Societal Impacts
Heather Brooks, doctorat UL
[email protected]
Director : Guy Doré – UL
Codirector : Ariane Locat - UL
Qualitative analysis processes are currently used to design, and allocate maintenance
monies for, linear infrastructure on permafrost. The routing is generally selected using a
qualitative process with risks and their associated consequences evaluated using a scalar
rating system, generally 1 to 5 or 1 to 10. The values of risk and consequence are multiplied
to determine an importance factor. Risks are ranked and analyzed based on the value of the
importance factor. Climate change vulnerability assessments for highways in permafrost
regions of Canada utilized this methodology. While these analysis methods have been used
in practice for many years, there is a push within the engineering community towards
analysis methods based on probability theory, quantifying the analysis process.
Specifically, probabilistic methods have been used to determine the reliability of
geotechnical factors of safety, and statistical updating methods have been presented to
refine geotechnical investigations.
The goal of this project is to develop a tool for quantitative risk assessment for embankment
infrastructure (roads and airstrips) built on permafrost. The tool will be objective, limiting
the human factor from the risk assessment; this tool could be used to prioritize maintenance
monies or select infrastructure routes to reduce risk. The analysis method will be calculated
on a landform basis, utilizing input values including: climate factors (present or future
depending on the needs of the user), geotechnical properties (in-situ soil and fill material
properties), and site geometry. A landform is an area defined in surficial geologic mapping,
formed by a specific geological process; thus, the underlying soil conditions and
surrounding land features should be similar. Weighted averaging of the greatest risk along
an alignment should be used to determine an overall infrastructure risk. A landform
calculation basis will also allow a risk analysis map to overly the landform maps commonly
used in infrastructure development and management.
The objective tool will determine the vulnerabilities of existing infrastructure and aid in
determining the risk associated with climate warming. Since a risk analysis includes both
an analysis of failure probability and a consequence of failure analysis, the socio-economic
costs, both direct and indirect, can be added to the analysis; helping communities to use
limited resources in an effective manner.
Since the roadway and airstrip infrastructure is of upmost importance in rural communities,
a quantitative risk assessment tool will also aid the public sector in hazard assessments.
24
Développement d’un modèle de performance pour les chaussées
bitumineuses réhabilitées
Amel Ferjani, doctorat ÉTS
[email protected]
Directeur: Alan Carter – ÉTS
Codirecteur : Michel Vaillancourt - ÉTS
L’état actuel du réseau routier au Québec nécessite de développer des stratégies permettant
de favoriser la réhabilitation et éviter la réfection totale de la chaussée. En effet, pour
choisir et planifier la technique de réhabilitation la plus appropriée, il est nécessaire de
prédire l’évolution des dégradations moyennant les modèles de performance. Cependant,
actuellement il n’existe pas de modèles de performance adaptés aux chaussées réhabilitées.
C’est dans ce cadre que s’inscrit le travail de cette thèse qui vise à une meilleure
compréhension du comportement mécanique des chaussées réhabilitées et à bien prédire
l’évolution de la performance en fatigue dans les structures réhabilitées par planageresurfaçage et par les techniques de retraitement en place. Les données du LTPP (LongTerme Pavement Performance Program) et des suivis effectués sur l’Autoroute 30 seront
utilisés.
Pour atteindre les objectifs de ce travail, on commencera par tester les modèles de fatigue
existants adaptés aux chaussées neuves puis on va cibler un modèle à étudier. Les
différents facteurs pouvant affecter la performance en fatigue des chaussées réhabilitées
seront évalués. Ensuite, on va utiliser les méthodes des éléments finis pour étudier
l’influence du taux de fissuration dans l’ancien revêtement, la rigidité des couches
existantes ainsi que les conditions d’interface sur la réponse contrainte-déformation de la
chaussée afin de caractériser la performance en fatigue de la structure réhabilitée. Par
ailleurs, la propagation des fissures représente l’un des principaux modes
d’endommagement à prendre en compte en matière de dimensionnement. De ce fait, une
partie de cette thèse sera consacrée à modéliser et prédire la propagation des fissures aux
travers les nouvelles couches des chaussées réhabilitées.
25
Caractérisation des matériaux bitumineux retraités à froid
Quentin Lecuru, maîtrise ÉTS
[email protected]
Directeur : Alan Carter - ÉTS
Codirecteur : Yannic Ethier - ÉTS
L’utilisation de MR dans la réfection des chaussées étant écologiquement et
économiquement préférable, il n’est pas à douter que de plus en plus de routes seront
rénovées avec des enrobés bitumineux recyclés et notamment, à froid.
Cependant, très peu de littérature ne fait état du comportement de ces matériaux en jeune
âge. Une évaluation du comportement de ces EB, dont les caractéristiques en jeune âge
peuvent rendre difficile l’analyse par les tests classiques couramment utilisés, est donc
importante.
Des techniques non destructives existent, notamment celles utilisant la propagation
d’ondes mécaniques. Utilisées pour ausculter les bétons hydrauliques ou bien afin
d’évaluer le comportement des sols, ces méthodes ont trouvé leur place et ont démontré
leur efficacité. Fort de ce constat, ces procédés ont été importés dans le domaine des
chaussées et des expériences ont déjà été menées sur des enrobés à chaud.
L’étude se propose de déterminer si la méthode d’analyse d’ondes mécaniques de
cisaillement générées par des anneaux piézoélectriques peut être utilisée dans l’étude des
enrobés bitumineux recyclés à froid de type MR-7 traités à l’émulsion de bitume.
L’eau représentant au moins 10% du volume de l’EB lors de l’élaboration de celui-ci,
l’utilisation d’ondes de cisaillement est préconisée. Du fait de l’incompressibilité de l’eau
et car les ondes de cisaillement ne se propageront que dans les granulats et le bitume, cela
permettrait de ne caractériser que ces 2 derniers. Enfin, la rapidité de la mesure et l’absence
d’un volumineux matériel d’analyse permettent de réaliser des tests dès la compaction de
l’EB.
La méthode met en évidence un lien fort entre la disparition de l’eau au sein du mélange et
l’évolution de la vitesse de propagation de l’onde de cisaillement au sein du matériau.
26
Outil de Prédiction de l’Évolution du Comportement des Chaussées
(OPECC)
Emmanuel Dion, maîtrise ÉTS
Emmanuel Dion
[email protected]
Directeur : Daniel Perraton - ÉTS
Codirecteur : Alan Carter – ÉTS
L’outil de prédiction OPECC a été élaboré dans la carde d’une thèse doctorale pour
l’ingénieur professionnel, en vue de favoriser une assimilation des principes propres à une
approche mécanistique-empirique de dimensionnement. L’une des particularités
intéressantes d’OPECC est la prise en compte des propriétés thermomécaniques des
enrobés dans le calcul de l’évolution potentielle des performances. Les performances
analysées sont l'orniérage et la fissuration par fatigue des matériaux bitumineux à l'échelle
de la chaussée. La structure de chaussée à modéliser peut-être constituée d’un maximum
de 9 couches distinctes, incluant : 1 couche de sol support, 4 couches de matériaux
granulaires et 4 couchent de matériaux bitumineux. Les matériaux sont considérés comme
étant homogènes, isotropes et élastiques. Pour prendre en compte le caractère
viscoélastique de l’enrobé, OPECC évalue la variation des propriétés mécaniques de
l’enrobé. Ces variations sont des fonctions qui dépendent de la thermosusceptibilité de
l’enrobé et de la fréquence de chargement. Pour ce faire, OPECC divise la période
d’analyse (P de 1 à 50 ans) en période récurrente (Pr) égale à un an. Pour chacune des Pr
l’évolution de la température est la même dépendamment du choix de l’utilisateur et
l’évolution du chargement (ÉCAS) est considérée constante. L’ECAS est ensuite actualisé
pour chaque Pr subséquentes pour prendre en compte l’incrémentation du nombre d’ÉCAS
annuel. Étant donné que la température évolue au cours de cette période OPECC subdivise
la Pr en intervalle de calcul (Ic =12 un par mois; Ic= 52 un par semaine) où la température
moyenne pendant cet intervalle est calculée automatiquement. Par la suite, suivant le
modèle 2S2P1D, OPECC actualise le module élastique pour chaque Ic et calcule le champ
de contraintes-déformations à l’aide du logiciel KENLAYER fondé sur une approche
multicouche élastique semblable à celle proposée par Burmister. Par la suite, OPECC
comptabilise les dégradations pour chaque Ic et présente l’évolution potentielle des
performances à l’orniérage et à la fissuration par fatigue sur toute la période d’analyse.
27
i3C-me : Interface de Calcul pour la Conception des Chaussées
Damien Grellet, doctorat UL
[email protected]
Directeur: Guy Doré - UL
Le logiciel i3C-me, développé dans le cadre des activités de la Chaire i3C à l’Université
Laval, est un nouvel outil de dimensionnement des chaussées flexibles mécanisteempirique bien adapté aux conditions d’exploitation, tant rurales que municipales, propres
au Québec. Il est fourni sous forme d’un exécutable programmé en VisualBasic. Il
comporte 6 principaux modules : 1. Objectifs de conception; 2. Définition de la charge; 3.
Choix des données climatiques; 4. Définition de la structure de chaussée; 5. Choix des
modèles de performance; 6. Calcul des effets du gel.
Le logiciel offre à l’utilisateur plusieurs choix de méthodes d’estimation et d’analyse de
niveaux de complexité et de précision variable. La conception peut donc être adaptée en
fonction de l’importance du projet, de l’information disponible et des préférences du
concepteur. Par exemple, pour déterminer les propriétés mécaniques des matériaux de la
chaussée, l’utilisateur peut choisir d’utiliser les valeurs de modules par défaut, d’estimer
les modules à partir de résultats d’essais CBR, DCP ou LWD, ou d’utiliser des paramètres
de modèles avancés (Huet-Sayegh, Witczak, Uzan) obtenus lors d’essais sur matériaux.
Le logiciel effectue un calcul d’endommagement saisonnier, basé sur la loi de Miner, en
divisant l’année sur 5 saisons, soit l’été, l’automne, l’hiver, le début du dégel et la fin du
dégel. L’utilisateur doit entrer la durée de chacune des saisons et fournir la température
moyenne de l’air ou de l’enrobé correspondante pour la période identifiée. L’utilisateur a
aussi accès à une bibliothèque de stations climatiques et le logiciel permet de calculer les
périodes et températures pertinentes. Plusieurs types de véhicules peuvent être considérés,
incluant, entre autres, les autobus urbains standards et articulés. Plusieurs choix sont offerts
à l’utilisateur pour convertir l’information sur les véhicules et sur le trafic en équivalents
de charge axiale simple (ÉCAS), utilisé comme entrée dans l’utilitaire de calcul mécaniste.
Au niveau des lois d’endommagement, l’utilisateur a le choix entre plusieurs modèles
existant qui sont intégrés au logiciel. Un outil de calcul sur l’effet du gel, développé par le
Ministère des Transports a également été ajouté au logiciel de la Chaire i3C. Il permet de
calculer l’évolution de la profondeur de gel et le soulèvement au gel à l’aide des données
de température provenant des stations climatiques et des propriétés des matériaux. Dans
tous les cas, l’utilisateur peut choisir d’utiliser des valeurs par défauts ou d’entrer des
valeurs estimées ou mesurées par différents essais. Les critères de soulèvements
admissibles typiques pour chaque catégorie de route sont intégrés afin de guider
l’utilisateur dans l’optimisation de la structure.
28
Projets non présentés au colloque
29
Conception Mécaniste-Empirique des chaussées non revêtues
Mickaël Le Vern, maîtrise UL
[email protected]
Directeur: Guy Doré - UL
Dans le contexte où les routes à faible volume de circulation sont susceptibles de subir des
charges importantes, le développement d’une méthode rigoureuse pour la conception de
ces chaussées basée sur des principes mécanistes-empiriques et sur le comportement
mécanique des sols support est souhaitable et constitue l’objectif de ce projet. La
conception mécaniste combinée à des lois d’endommagement permettra l’optimisation des
structures de chaussées à faible volume ainsi que la réduction des coûts de construction et
d’entretien. Les objectifs spécifiques suivant permettront de réaliser le projet :
•
•
•
Mise au point d’un code de calcul pour la détermination des contraintes et des
déformations dans la chaussée.
Développement de lois d’endommagement empiriques.
Intégration des méthodes de calcul dans un outil de conception pratique (logiciel ou
autre)
En premier lieu, le projet comportera un aspect sur le développement d’un code de calcul
pour la modélisation des couches de chaussée en systèmes élastiques bi-couches. La
modélisation sera faite en utilisant la transformation d’Odemark et les équations de
Boussinesq pour le calcul des contraintes et déformations sous la charge. Par la suite, des
fonctions de transfert empiriques (lois d’endommagement) adaptées aux routes à faible
volume seront élaborées. Le développement des fonctions de transfert se fera en deux
étapes, soit l’établissement de valeurs seuil d’orniérage et le développement de critères de
déformation admissible. Des essais sur une chaussée typique reconstituée dans la fosse
d’un simulateur et soumise au chargement répété par simulateur de charge seront aussi
effectués. La chaussée sera instrumentée pour mesurer les déformations aux niveaux
critiques de la chaussée et le taux d’endommagement sera mesuré en fonction du nombre
d’applications de charge. Finalement, des essais seront également effectués au Site
Expérimental Routier de l’Université Laval pour documenter les avantages de la mise en
place d’un revêtement mince sur une route à faible volume, notamment en ce qui a trait au
comportement mécanique de la chaussée et aux infiltrations d’eau.
30
Development of a methodology for the design of low-impact drainage
systems along transportation infrastructure in permafrost environments
Julie Malenfant Lepage, doctorat UL
[email protected]
Directeur : Guy Doré - UL
One of the main causes of embankment degradation in northern Canada is the heat
transferred by surface runoff and groundwater under the transportation infrastructures.
Observations of events causing the rapid degradation of northern infrastructure (i.e.
airstrips, roads and building foundations) suggest that liquid water transport and its effects
have been significantly underestimated in recent years in permafrost hydrology and
engineering (ADAPT, 2012). These problems are likely to reduce structural and functional
capacity of the road and even lead to embankment failure in some cases. It is therefore
important to study and understand the influence of water on transportation infrastructures
and to develop new engineering practices relating to water management. The research
project intends to develop practical methods to calculate the quantity of heat transferred
through convective surface and sub-surface water flows in the design of a drainage system.
In particular, a method to assess the maximum quantity of water that can be concentrated
in one channel (i.e. ditch and culvert) in order to control heat transfer to permafrost and to
limit soil erosion. The approach will lead to the optimal number of crossings (culvert) to
consider for a given structure, the thermal design of these crossings as well as the need and
the design of an appropriate flow diffusion system downstream from the structure. In order
to do this, the objectives to achieve are the following: 1) Improve the knowledge of surface
water and groundwater flow and its influence on the performance of embankments built on
a thaw-sensitive permafrost; 2) Develop new strategies for construction and maintenance
to mitigate the problems of permafrost degradation resulting from water flow; 3) Develop
a geophysical method that will enable the detection of groundwater flow under the road
networks and; 4) Conduct a feasibility study and cost-benefit analysis of new techniques
developed. The project also involves soil temperature profile logging as a function of water
flow, heat flux measurements, thermal modelling and small scale laboratory testing.
Electrical resistivity and soil temperature surveys were undertaken in 2014 along a stream
draining a small watershed south of the airport of Ilulissat in Greenland. Field work will
be also be done in 2015 and 2016 along the Salluit access road north of Quebec and along
the Alaska Highway in the Yukon.
31
Développement de lois d’endommagement (détérioration) de chaussées
sous l’effet du trafic et du climat.
Youdjari Djonkamla, doctorat UL
[email protected]
Directeur : Guy Doré - UL
Dans le domaine de la gestion des chaussées, la maîtrise de la performance est l’axe où les
grands défis sont à relevés, notamment la modélisation de l’évolution des
endommagements. Or les modèles qui sont employés de nos jours pour la gestion et la
conception des chaussées comporte une importante part d’empirisme qui peut se justifier
considérant les hypothèses, les simplifications, et les erreurs dans la caractérisation de
plusieurs facteurs des processus de dégradation.
Le Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (MEPDG) développé dans le cadre du
projet NCHRP 1-37A (2004) propose une approche mécaniste-empirique détaillée pour la
conception des structures de chaussées. Cette méthode emploie des lois d’évolution qui
doivent être calibrées dans chaque environnement d’exploitation. L’application de ces
modèles dans des contextes climatiques sévères comme celles qui prévalent au Québec,
comporte cependant certaines limitations. Dans le contexte Canadien, la prise en compte
des facteurs climatiques est essentielle comme en témoigne le rapport de la commission
royale sur le transport des personnes (1992) qui établit que les facteurs environnementaux
sont responsables de la plus grande partie (50% à 80%) des dommages subis par les
chaussées.
Un projet visant le développement et/ou la validation de lois d’endommagement pour les
chaussées souples dans le contexte Québécois a été entrepris dans le cadre du programme
de la chaire de recherche industrielle du CRSNG sur l’interaction charges-lourdes – climat
– chaussées. La revue des connaissances que nous avons faite révèle que les modèles d’uni
existants sont faits, pour la plupart, sur la base de la pure statistique et n’intègrent pas
forcement toutes les variables pertinentes pour diverses raisons. La variabilité spatiale de
la surface de la chaussée, qui est la clé du mécanisme de dégradation de l’uni, n’est
nullement mise en évidence dans la forme mathématique des modèles existants. Cela
signifie que le principe physique du phénomène n’est pas suffisamment considéré lors de
la dérivation des fonctions caractérisant l’uni. Par conséquent, les modèles existants ne sont
qu’essentiellement empiriques. Ces modèles empiriques ne peuvent être utilisés hors de
l’environnement dans lequel ils ont été développés et la calibration efficace de ceux-ci n’est
pas toujours possible. Le développement d’un modèle de prédiction d’uni calé sur ces
principes est donc actuellement en cours.
32
Application d’une pression de confinement durant l’essai de module
complexe sur un MR5
Julien N. Kagabo, maîtrise ÉTS
[email protected]
Directeur : Alan Carter - ÉTS
La remise en état des infrastructures de transport, les chaussées flexibles en l’occurrence,
est une pratique courante. C’est un prérequis pour préserver le confort au roulement des
usagers et/ou assurer l’intégrité structurale et les critères de sécurité prescrits par les normes
de conception. Au Québec, le retraitement en place et à froid (RP) est une technique de
réhabilitation connue et utilisée depuis plus de 20 ans. Elle a l’avantage d’être moins
énergivore, écoresponsable et économiquement profitable. L’expérience révèle que le RP
permet de limiter l’apparition des fissures réfléchies et est conforme aux critères
d’orniérage établi par le Ministère des Transports du Québec (MTQ). Cependant, en dépit
de ses mérites, il n’en demeure pas moins que les matériaux retraités en place et à froid
(MR) ne sont pas adéquatement caractérisés, du point de vue de leur comportement
mécanique. Les MR sont des matériaux qui ont un comportement viscoélastique, mais qui,
à jeune âge, se comporte plus comme un matériau granulaire que comme un matériau
bitumineux.
Dans ce sens, la rhéologie des MR fait l’objet d’une étude approfondie. Plus
spécifiquement, le module complexe, avec et sans pression de confinement, d’un MR5 à
base d’émulsion de bitume est investigué.
33
Impact de l'utilisation de régénérants sur les émulsions de bitume
Fahd Ben Salem, maîtrise ÉTS
[email protected]
Directeur : Alan Carter - ÉTS
Codirecteur : Daniel Perraton - ÉTS
Devant la consommation excessive et la diminution des ressources naturelles comme le
bitume et les granulats, le recyclage des chaussées devient une chose indispensable.
Durant sa période de vie, l'enrobé bitumineux subit plusieurs changements qui influent
directement sur les performances mécaniques des chaussées et cause des fissures
longitudinales et transversales au niveau de la surface, l'orniérage et la fatigue de structure
routière.
Un des facteurs influençant les enrobés est le vieillissement. Le vieillissement se génère
sous l'effet des plusieurs facteurs comme la volatilisation, les rayons UV, les variations
importantes des températures et surtout l’oxydation. Ces phénomènes provoquent plusieurs
changements au niveau de la structure chimique de bitume qui est composée
principalement par deux entités: les maltées et les asphaltènes, et il y a formation des
nouvelles molécules. Cela va causer la fragilisation et le durcissement des enrobés.
Un autre phénomène important qui accélère le vieillissement des enrobés, la volatilisation,
c'est l'évaporation des particules fines lors de la phase de fabrication et la mise en place des
enrobés à chaud sous l'effet de la grande température.
Plusieurs recherches ont été faites pour comprendre et par la suite résoudre le problème de
vieillissement des bitumes afin d'améliorer les performances des enrobés recyclés et
d'augmenter le pourcentage du RAP dans la fabrication des chaussées en utilisant le bitume
existant (vieilli). L'ajout d'un agent régénérant paraît une méthode intéressante pour
réactiver le bitume vieilli et remplacer les particules perdues, ce qui va diminuer la viscosité
du bitume et améliore les performances de l'enrobé .
Le projet comportera d'abord une revue de la littérature sur les émulsions de bitume, sur le
vieillissement des bitumes et sur les régénérants. Ensuite, un programme de recherche en
laboratoire sera effectué. le programme comporte différentes phases:
- Vieillissement artificiel des bitumes en émulsions et caractérisations des émulsions;
- Fabrication et caractérisation d'enrobés à froid avec de l'émulsion vieillie et non vieillie;
- Caractérisation d'émulsions et d'enrobés à froid avec régénérants.
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Caractérisation des bassins de déflexion mesures au déflectomètre à
masse tombante
Sènakpon Gillis Kpossou, maîtrise ÉTS
[email protected]
Directeur : Alan Carter - ÉTS
Codirecteur : Michel Vaillancourt - ÉTS
L’évaluation de la performance des chaussées est d’une importance capitale pour prévenir
les dégradations ou à défaut les diagnostiquer très tôt afin de faire des interventions assez
promptes. En général, les dégradations majeures affectant une route sont celles qui
touchent à la structure même de la chaussée. Il est donc important de recourir aux essais
permettant de déterminer la résistance de ces structures, notamment vis-à-vis des gros
porteurs qui transmettent de grandes sollicitations à la structure de la chaussée.
Un des appareils de caractérisation de ces problèmes de chaussée est le déflectomètre à
masse tombante (FWD). Il s’agit en effet d’un appareil d’essai non destructif dont le but
est de reproduire les déformations occasionnées (déflexions) par le passage d’un véhicule
poids lourd circulant à 70km/h sur une chaussée.
Cependant, l’analyse, l’interprétation et l’exploitation des résultats issus de cet essai ne
sont pas encore bien maîtrisés de la part des utilisateurs. Le but du présent projet est donc
d’élucider le lecteur sur les caractéristiques techniques du déflectomètre à masse tombante
(FWD), sa plage d’utilisation, la procédure d’exécution de l’essai sur les différentes
structures de chaussées, mais également de fournir des éléments d’analyse et
d’interprétation des données.
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Évaluation de l'impact de la composition chimique du brut sur les
caractéristiques du bitume
Alexandre Rogeaux, maîtrise ÉTS
[email protected]
Directeur : Alan Carter - ÉTS
Codirecteur : Daniel Perraton - ÉTS
Les bitumes sont caractérisés selon leur grade de performance. Cette caractéristique
correspond à l’intervalle thermique à l’intérieur duquel le bitume est susceptible d’être
employé. Celle-ci est basée sur la performance du bitume déterminée lors d’essais, et non
sur la composition chimique du bitume. Le bitume provient d’une source naturelle,
nommée « Brut » d’origine pétrolière. La composition chimique exacte du bitume dépend
de la complexité chimique du pétrole brut et du procédé de fabrication utilisé. Comme le
pétrole brut diffère d'un champ pétrolifère à l'autre, il n'y a pas deux bitumes qui soient
chimiquement identiques. Cette variation de composition chimique influe sur les
caractéristiques mécaniques et rhéologiques du bitume, et ceci n'est pas pris en compte
actuellement.
L’objectif du présent programme de recherche est d’évaluer l'impact de la composition
chimique du brut sur les caractéristiques mécaniques et rhéologiques du bitume, ceci dans
le but d’appréhender l’influence du choix du brut sur la formulation des enrobés et les
caractéristiques des bitumes.
La caractérisation chimique de plusieurs bruts sera dans un premier temps effectuée, afin
de constituer une base de données qui permettra de corréler la composition chimique des
bruts et les caractéristiques mécaniques des bitumes issus de ses bruts.
Ensuite, les bitumes produits grâce aux bruts étudiés précédemment seront caractérisés
rhéologiquement. Cela va permettre de relier la composition chimique du brut aux
caractéristiques du bitume. Ensuite, on viendra caractériser mécaniquement les bitumes en
réalisant des essais de module complexe en cisaillement à partir du rhéomètre dynamique
aux températures moyennes et élevées. Afin de travailler dans des conditions de basses
températures, il est également prévu de produire des essais à l’aide d’un rhéomètre à flexion
de poutre sur les bitumes. De plus, une étude sur le vieillissement du bitume et sur
l'interaction entre le bitume et les polymères incorporés dans celui-ci sera effectuée.
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Complex Modulus and Fatigue Behaviour of Recycled Hot Mixes
Asphalt: Laboratory Investigation and Modelling at the Material Levels
Asmaa Basueny, doctorat ÉTS
[email protected]
Directeur : Alan Carter - ÉTS
Codirecteur : Daniel Perraton - ÉTS
The use of reclaimed asphalt pavement (RAP) in asphalt mixtures provides the means to
recycle the existing roadway and use that material, in a limited amount, in the construction
of new pavements. This is an environmentally friendly method to recycle the existing
pavement and provide a new pavement surface. Fatigue is considered one of the major
distress types occurring in flexible pavement systems. Previous studies have been
conducted to understand how fatigue life can occur and be extended under repetitive traffic
loading. Several researchers, for the last two decades, have developed some fatigue
predictive models that predict the fatigue life of asphalt mixture in the laboratory and even
in the field. However, there are no research studies in the area of developing prediction
models for mixtures containing RAP. Therefore, a major objective of this study was to
−k
improve the basic fatigue model that in the form of Nf = k1 × ε0 2 to take into
consideration the inclusions of RAP content.
Different domains of thermos-mechanical behavior of bituminous mixtures were studied,
including the small-strain behavior – complex modulus and fatigue. a total of 11 mix
designs, including one type of RAP source (will be combined at four levels 0%, 15%, 25%,
and 40% RAP), one type of virgin aggregate, two types of asphalt binders, will be made in
two different production methods: RAP added Cold or Hot. These mixtures include
samples of aged-RAP which will be blended with new aggregate and new asphalt materials
to produce different recycled mixtures.
Fatigue predicted models were improved with considering the inclusion of added RAP up
to 25% and up to 40% using the phenomenological approach and presented in verification
of the two failure criteria. Those models provide prediction of the fatigue life of the
recycled mixtures throughout the results of fatigue tests of the mixture containing no RAP.
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Formulation d’enrobés bitumineux contenant du verre recyclé
Alexandre Bachand, maîtrise ÉTS
[email protected]
Directeur : Michel Vaillancourt - ÉTS
Codirecteur : Daniel Perraton – ÉTS
Le projet auquel je m’adonnerai au cours des prochains mois porte sur la formulation
d’enrobés bitumineux avec ajout de verre recyclé. Lors de la récupération du verre, celuici peut se briser et se mélanger avec d’autres types de verre, ce problème fait en sorte que
ce verre, dit mixte, ne peut être utilisé dans fabrication d’autres produits à cause de son
impureté. L’ajout de verre recyclé dans un mélange d’enrobés bitumineux est donc une
alternative intéressante pour donner une deuxième vie à ce matériau. Deux types d’enrobés
seront traités dans ce projet, soit le type GB-20 ainsi que le type ESG-10.
Avec les renseignements acquis suite aux précédentes recherches sur les enrobés avec verre
produits à l’ÉTS, les paramètres à vérifier seront, dans un premier temps, la diminution du
pourcentage de bitume dans le mélange. Les mélanges seront formés selon la méthode LC
du ministère des transports du Québec (MTQ) et les résultats aux essais de presse à
cisaillement giratoire (PCG), ainsi que les performances à l’orniérage devront répondre aux
standards établis par le MTQ. Suite à la formulation d’un enrobé avec verre qui répond aux
exigences, des bancs d’essais seront créés pour analyser le mélange dans des situations
réelles.
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Utilisation de panneau de polymère expansé sous les pavés de béton
Alexandre Bachand, stagiaire ÉTS
[email protected]
Directeur: Michel Vaillancourt – ÉTS
Codirecteur : Alan Carter - ÉTS
Le projet Gator Base consistait à faire l’étude d’un polymère expansé. L’étude était divisée
en deux parties, la première consistait à effectuer des essais dans le but de caractériser le
matériau. Ces essais ont permis de déterminer entre autres, la résistance à la flexion et à la
compression, la résistance thermique, le comportement à certains produits chimiques ainsi
que la densité et la capacité d’absorption du matériau.
La deuxième partie consistait à vérifier la possibilité de remplacer une fondation granulaire
de 125 mm par les panneaux de polymère dans des structures de pavé de béton utilisé en
milieu piétonnier. Pour cette évaluation, deux bancs d’essais ont été mis en place. Le
premier avec les panneaux et l’autre avec le 125 mm de pierres concassées. Des essais de
charge dynamique ont ensuite été réalisés à l’aide de l’appareil LWD (Light Weight
Deflectometer) qui permet d’appliquer une contrainte de chargement et de déterminer un
bassin de déplacement. Des essais statiques ont également été produits en appliquant
différentes charges sur la planche d’essai pour en déterminer la déformation à l’aide de
jauges de déformation à certains points précis. Les résultats ont démontrés de meilleures
résistances à la déformation dans le cas de la fondation granulaire. Toutefois, la différence
entre les deux modèles était de l’ordre du dixième de millimètre. C’est donc dire que les
panneaux de polymère expansé pourraient remplacer une fondation granulaire dans des
structures de pavé de béton à usage piétonnier.
Des essais en vraie grandeur sont prévus pour cet été. Pour cette partie, les pavés de béton
seront installés sur 5 types de sols différents.
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Étude de rhéologie des mastics bitumineux avec verre incorporé à l’aide
du Rhéomètre à Cisaillement Annulaire
Souleimane El Mansouri, maîtrise ÉTS
[email protected]
Directeur: Michel Vaillancourt – ÉTS
Codirecteur : Daniel Perraton – ÉTS
Dans le domaine viscoélastique linéaire (à faibles niveaux de déformations), le
comportement thermomécanique du bitume et du mastic bitumineux (mélange uniforme
de bitume et de fillers) a été caractérisé dans le cadre d’une collaboration entre le
Laboratoire des Chaussées et Matériaux Bitumineux (LCMB) de l’École de technologie
supérieure (ÉTS) et la Société des alcools du Québec (SAQ).
Les propriétés rhéologiques des bitumes et mastics ont été mesurées grâce à un nouvel outil
d’investigation appelé Rhéomètre à Cisaillement Annulaire (RCA) sous différentes
conditions de chargement. Cet appareil permet non seulement de solliciter des éprouvettes
de tailles importantes par rapport à celles utilisées lors des essais classiques, mais aussi
d’effectuer des essais homogènes, ce qui permet de donner accès à la loi de comportement
des matériaux. Les essais sont réalisés sur une large gamme de température et de fréquence
(de -25 °C à 55°C et de 0.03Hz à 10 Hz).
Cette étude a été menée principalement pour comparer le comportement d’un bitume avec
celui d’un mastic bitumineux dans le domaine des petites déformations. Néanmoins dans
une seconde perspective, on s’intéresse à l’influence des fillers de verre de post
consommation sur le comportement d’un mastic à faibles niveaux de déformations en
comparant l’évolution des modules complexes de cisaillements G* d’un mastic avec fillers
de verre et un mastic avec fillers conventionnels (calcaire).
Enfin, le modèle analogique 2S2P1D est utilisé pour simuler le comportement
viscoélastique linéaire des bitumes et des mastics bitumineux testés lors de la campagne
expérimentale.
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