Des chaussées conductrices pour atténuer les îlots de chaleur urbains

Sommaire

Les chaussées en enrobés bitumineux seraient l’une des principales causes de l’augmentation des températures dans les zones urbaines. La surface sombre des chaussées absorbe et stocke l’énergie solaire pendant la journée et la restitue la nuit, amplifiant un phénomène connu sous le nom d’îlot de chaleur urbain (ICU). Augmenter la réflectivité de la surface peut réduire l’absorption de chaleur, mais les enrobés bitumineux absorbe une partie de l’énergie solaire, entraînant un gradient thermique plus élevé entre la chaussée et l’air ambiant. En d’autres termes, une plus grande quantité de chaleur est libérée, ce qui augmente la température de l’air ambiant. Dans cette étude, nous avons utilisé des granulats de scories d’acier pour transférer la chaleur accumulée dans les enrobés bitumineux vers les couches inférieures de la chaussée, réduisant ainsi la différence de température entre la surface de la chaussée et son environnement et atténuant les effets de l’ICU.

Mots clés : Îlots de chaleur urbains; sous-produits conducteurs; transfert de chaleur; chaussées en enrobés bitumineux frais

Facteurs contribuant aux îlots de chaleur urbains

Un îlot de chaleur urbain est une zone urbaine où les températures sont plus élevées qu’en banlieue. Les effets des ICU sont attribués à la réduction des espaces verts, des arbres et de la végétation, et à la transformation de ces zones naturelles en bâtiments et en chaussées. En général, les chaussées en enrobés bitumineux occupent un espace considérable dans les villes (29 % à 39 %). Les activités humaines et certaines inventions, comme les chaussées en enrobés bitumineux, peuvent augmenter les températures urbaines de 5 ℃ à 15 ℃. Il convient donc d’envisager des méthodes pratiques pour atténuer les effets négatifs des revêtements en enrobés bitumineux sur les ICU.

L’atténuation des îlots de chaleur urbains à ce jour

Les chercheurs ont étudié différents paramètres associés aux revêtements bitumineux afin de trouver des solutions à ce problème environnemental. Par exemple, dans certaines études on propose différentes façons d’augmenter la réflectivité des revêtements bitumineux par des revêtements à haute réflectance dans le spectre visible et le proche infrarouge, des revêtements réfléchissants en résine époxy et des matériaux de couleur claire pour l’enduit superficiel des revêtements bitumineux. En outre, de nombreuses études ont également porté sur la modification des enrobés bitumineux à l’aide de différents matériaux conducteurs et isolants. Il s’agit notamment d’utiliser de la poudre de graphène comme additif de liant, de la cénosphère de cendres volantes comme charge de mastic d’enrobés, de verre recyclé et des scories d’acier comme agrégats dans les enrobés bitumineux. Bien qu’un grand nombre d’études aient été menées pour modifier la conductivité thermique des enrobés bitumineux, on néglige le rôle important de la modification thermique de la couche de base dans l’atténuation des ICU. Les chaussées en enrobés bitumineux se composent de plusieurs couches distinctes. La couche supérieure, appelée enrobé bitumineux, est constituée de matériaux liés au bitume. En revanche, la couche inférieure, appelée couche de base, est formée de matériaux granulaires non liés, à la différence du mélange d’enrobés bitumineux.

Méthode proposée pour le transfert de chaleur absorbée

Dans cette étude, l’utilisation d’agrégats de scories d’acier, un sous-produit industriel, a permis d’augmenter le transfert de chaleur vers la couche de base des chaussées en enrobés bitumineux. Par rapport aux matériaux conventionnels de couche de base, les scories d’acier offrent une conductivité thermique plus élevée en raison de leurs propriétés chimiques, comme leur teneur en fer. Ainsi, nous avons créé des échantillons de couche de base à l’aide de différents pourcentages de scories d’acier (0, 33, 66, 100 %). Nous avons ensuite évalué les propriétés thermiques de ces échantillons à l’aide d’un instrument de conductivité thermique (C-Therm), comme le montre la figure 1. Les résultats ont démontré que la conductivité thermique de la couche de base a augmenté de 96 %.

Figure 1. Essai de conductivité thermique ; (a) échantillons, (b) capteur, (c) dispositif C-Therm

Évaluation expérimentale et numérique

D’abord, nous avons conçu des échantillons d’enrobés bitumineux et de couche de base en laboratoire. Ces échantillons ont ensuite été placés dans une installation de simulation solaire afin d’étudier le taux de transfert de chaleur et la variation de température dans les échantillons d’enrobés bitumineux et de couche de base. Ce montage expérimental a servi à simuler l’émission nocturne de chaleur, qui joue un rôle crucial dans l’aggravation des ICU. Les résultats ont révélé que la température de surface de la chaussée et l’émission nocturne de chaleur ont été réduites de 13 % et 38 %, respectivement.

Après avoir mesuré les propriétés thermiques et les variations de température des couches de la chaussée, nous avons développé des modèles numériques à l’aide d’Ansys Fluent pour estimer la réduction de la température nocturne de l’air. Des plans verticaux et horizontaux ont servi à enregistrer les températures dans les couches de chaussée et dans l’air, comme le montre la figure 2. Les résultats ont démontré que l’utilisation de couches de base conductrices réduisait de 15 % la température de l’air au-dessus de la chaussée.

Figure 2. Plan vertical utilisé pour l’extraction des données

Conclusion

Les effets d’ICU des chaussées en enrobés bitumineux peuvent augmenter les températures urbaines en été, entraînant des maladies liées à la chaleur, une plus grande consommation d’énergie, une plus grande pollution de l’air et une contribution au réchauffement de la planète. Dans cette étude, la nouvelle structure de chaussée conductrice que nous avons mise au point dégage moins de chaleur la nuit et offre une surface plus fraîche pendant les mois chauds. Cette approche pourrait réduire la température de l’air dans les villes, ce qui permettrait d’atténuer considérablement les effets de l’ICU.