Effet des fibres courtes d'aramide sur la performance de l'asphalte
Résumé
Il est bien connu que les matériaux d’asphalte sont plus résistants à la compression qu’à la traction. Lorsqu’elles sont bien homogénéisées avec le mélange bitumineux, les fibres à haute résistance à la traction sont censées contenir une partie de la traction, ce qui se traduit par un matériau plus durable. Le but de cette recherche est de comprendre l’effet de l’ajout de pâte d’aramide aux mélanges bitumineux afin de créer des produits plus durables. Cette recherche sera divisée en deux parties : des tests de formulation et des tests de performance.
Introduction
Le Canada se classe septième au monde pour ce qui est de la longueur de son réseau routier (PIARC, 2015). Le revêtement utilisé pour ses routes est l’asphalte dans 95 % des cas. Selon le Bulletin de rendement des infrastructures canadiennes (2012), la condition de plus de 50 % des routes municipales est passable, en mauvais état ou en très mauvais état. De nombreuses recherches sont donc effectuées depuis plusieurs années pour développer des mélanges bitumineux plus résistants. L’une des avenues explorées est l’utilisation de fibres d’aramide aux mélanges bitumineux.
Il est bien connu que les matériaux d’asphalte sont plus résistants à la compression qu’à la traction (Busching et al., 1970). Lorsqu’elles sont bien homogénéisées avec le mélange bitumineux, les fibres à haute résistance à la traction sont censées contenir une partie de la traction, ce qui se traduit par un matériau plus durable. De nombreux types de fibres ont été testés. Selon la synthèse du NCHRP intitulée Fiber Additives in Asphalt Mixtures (McDaniel, 2015), les fibres peuvent être classées dans différentes catégories : celluloses, minéraux, polyesters, aramide, aramide et polyoléfines, et les fibres de verre. Selon cette étude, tous les types de fibres ont amélioré la résistance à la traction des mélanges bitumineux. Toutefois, l’ajout de ces fibres comporte aussi des désavantages (p. ex. une absorption élevée du liant, une densité élevée, une température de fusion basse ou une faible résistance à l’humidité) pour tous les types testés sauf pour la fibre d’aramide. La seule mise en garde mentionnée dans l’étude pour ce type de fibre est que son rapport coût-efficacité n’a pas encore été démontré.
La pâte d’aramide est un matériau hautement fibrillé, composé de fibres de moins de 1 mm de longueur, utilisée dans les matériaux à forte abrasion comme les plaquettes de frein (Dupont 2015), ou comme régulateur de viscosité pour les adhésifs ou les produits d’étanchéité (Dupont, 1999). L’utilisation de pâte ou de fibres courtes d’aramide devrait s’avérer rentable et permettre une plus grande surface de contact. De plus, les fibres courtes devraient être plus faciles à intégrer au mélange de bitume que des fibres plus longues.
Figure 1 Photographie d’un mélange bitumineux
Objectif du projet
Le but des membres du Laboratoire sur les chaussées et matériaux bitumineux (LCMB) est de comprendre l’effet de l’ajout de pâte d’aramide aux mélanges bitumineux afin de créer des produits plus durables.
L’ajout de pâte d’aramide ou de fibres courtes procurerait plus de durabilité aux matériaux bitumineux et permettrait aux entreprises canadiennes d’asphalte d’innover en matière de produits bitumineux à plus grande valeur ajoutée, plus durables et plus performants. Ces réalisations aideraient à réduire les coûts d’entretien de nos routes et permettraient à nos entreprises canadiennes de génie civil de se démarquer grâce à de nouvelles technologies et à de meilleures performances.
Qu’est-ce qu’une fibre courte d’aramide?
La fibre utilisée dans la présente recherche est la fibre d’aramide de Kevlar DuPont, connue sous le nom de pâte KEVLAR, catégorisée 1F361. La pâte d’aramide est un matériau hautement fibrillé, composé de fibres de moins de 1 mm de longueur, utilisée dans les matériaux à forte abrasion comme les plaquettes de frein, ou comme régulateur de viscosité pour les adhésifs ou les produits d’étanchéité. L’utilisation de pâte ou de fibres plus courtes devrait s’avérer rentable et permettre une plus grande surface de contact.
Figure 2 Fibres de pâte d’aramide KEVLAR
Selon notre hypothèse, les propriétés mécaniques sont renforcées par la présence de pulpe ou de fibre courte. En outre, les fibres étant très courtes, elles devraient s’intégrer plus facilement au mélange bitumineux que des fibres plus longues.
Parties de la recherche
Cette recherche se divise en deux parties.
Tests de formulation
Le mélange d’asphalte à chaud (HMA) se compose de deux matériaux de base : l’agrégat et le liant bitumineux. La formulation du mélange d’asphalte est le procédé qui sert à déterminer quel agrégat et quel liant bitumineux utiliser, et quelle serait la combinaison optimale de ces deux ingrédients. Lorsque l’agrégat et le liant sont combinés pour produire une substance homogène, cette substance, le HMA, revêt de nouvelles propriétés physiques qui sont semblables, mais non identiques, aux propriétés physiques de ses composants. La formulation du HMA est devenue un procédé en laboratoire qui nécessite plusieurs tests critiques pour produire des caractérisations clés de chaque mélange d’essai HMA. Bien que ces caractérisations ne soient pas exhaustives, elles peuvent donner au concepteur du mélange une bonne compréhension de la façon dont un mélange particulier se comportera sur le terrain pendant la construction et sous le volume de trafic subséquent. La formulation de mélange vise à simuler la fabrication, la construction et les performances réelles de HMA dans la plus grande mesure possible. Ensuite, à partir de cette simulation, nous pouvons prédire (avec assez de certitude) le type de formulation de mélange qui convient le mieux à l’application en question et sa performance.
Figure 3 Les échantillons sont stockés sur des lits de sable horizontaux avant les tests mécaniques afin de prévenir tout biais de déformation
Tests de performance
Le défi dans les tests de performance de HMA est de développer des tests physiques qui peuvent caractériser adéquatement les principaux paramètres de performance du HMA, et de déterminer comment ces paramètres peuvent changer durant la vie d’une chaussée. Les principaux paramètres de ce projet sont :
- Essais de traction indirecte pour évaluer la quantité optimale si la pâte d’aramide est intégrée au mélange d’asphalte.
- Module complexe réalisé en compression/traction à différentes températures et fréquences, résistance à la fissuration par fatigue réalisée à 10 °C et 10 Hz, résistance à la fissuration thermique réalisée par le test de fatigue thermique TSRST (Thermal Stress Restrained Specimen Test) et résistance à la déformation permanente réalisée avec le testeur d’ornières LPC.
La méthode utilisée pour les essais de module complexe nous permet de voir si la résistance du matériau à la traction s’améliore avec l’ajout de pâte d’aramide. Quant au test de fatigue, il est utilisé pour vérifier si la pâte d’aramide a vraiment amélioré la résistance à la propagation de fissures du mélange. Ces essais sont réalisés sur un mélange de bitume dense, avec et sans pâte d’aramide.
Figure 4 Test de traction-compression directe (DTC) sur des échantillons cylindriques
- La résistance à la fatigue des mélanges d’asphalte de couche inférieure contenant de la pâte d’aramide sera également testée. Ce type de mélanges est utilisé dans une structure de chaussée à longue durée de vie comme revêtement résistant à la fissuration en raison de sa forte teneur en liant. L’utilisation de la pâte d’aramide devrait permettre d’augmenter la quantité de liant dans ces mélanges sans provoquer de ressuage.
Figure 5 Système de mesure et enceinte à environnement contrôlé utilisé pour le test du module complexe
Partenariat
Ce projet de recherche est financé par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG).
À l’ÉTS, le professeur Alan Carter a mené des recherches approfondies sur la caractérisation des matériaux de chaussée et sur la formulation de mélanges d’asphalte. Les projets de recherche menés à l’ÉTS, en ce qui a trait à la formulation des mélanges d’asphalte, comprennent des travaux de recherche sur l’ajout de granulés de caoutchouc recyclé et l’ajout de bardeaux d’asphalte dans des mélanges d’asphalte chauds.
En plus de l’ÉTS, le groupe Technologies de Protection Dupont participe également à ce projet.
