Search

The use of bitumen emulsion cold mixes, coupled with the reuse of reclaimed asphalt pavement (RAP), is part of an effective approach to preserve the environment. Such materials are intended for low to medium traffic-loading pavements and can represent significant potential for the secondary network in African countries, such as Côte d'Ivoire, where road traffic is low. Their formulation requires to ensure the compatibility of the emulsion with virgin aggregates and RAP according to their respective physicochemical characteristics.Surfactants determine emulsion-substrate interaction in terms of emulsion breaking, wetting and adhesion of binder onto substrate. The final mechanical performances of virgin and recycled asphalt mixtures are linked to these processes, which take place from the manufacturing to the in situ curing stages.The objective of this thesis was to study the phenomena occurring at the emulsion-substrate interfaces in order to understand the formulation of the emulsion and its impact on the implementation and durability properties of virgin and recycled asphalt mixes.The research work was carried out at two levels. The first level concerned studies at the microscopic scale on emulsion-substrate interactions, relative to the phenomena of surfactant adsorption, emulsion breaking process, behavior of emulsion-filler mixtures and emulsion wetting on model substrates. The second level concerned studies at the macroscopic scale through the emulsion-aggregate adhesivity tests, the formulation of virgin and recycled mixtures and the evaluation of their cohesion build-up and their water resistance.On a microscopic scale, the surfactant adsorption differed according to the surfactant-substrate pair considered; the emulsion breaking on the aggregate was all the more rapid as the SiO2 content increased. At the rheological level, the behavior of the emulsion-filler mixtures was influenced by the surfactant nature and content, the specific surface area of the aggregates and the emulsion-filler mass ratio. RAP exhibited higher contact angles and lower adhesion work with the emulsion than the virgin aggregates. This suggests that in a recycling context, the emulsion will preferentially wet virgin aggregates.On a macroscopic scale, formulation tests revealed a variation in the total water content of the mixtures depending on the surfactant nature and content. The cohesion build-up and water resistance tests, carried out on virgin and recycled asphalt mixes, indicated optimum values of surfactant content depending on the nature of virgin aggregates with respect to these properties. A relationship was found between short-term cohesion and water resistance.Finally, a comparison of the results at both scales leads to correlations between them, which specify the mechanisms involved in the surfactant adsorption on the substrates and clarify the contribution of the aged binder in the mechanical performances of recycled asphalt mixes thanks to the surfactant effect., L’emploi d’enrobés bitumineux à l’émulsion de bitume dans les structures de chaussées, couplé avec la réutilisation de matériaux recyclés appelés agrégats d’enrobés, permet de s’inscrire dans une démarche efficace de préservation de l’environnement. De tels matériaux sont destinés à des chaussées de faibles à moyens trafics et peuvent constituer un grand potentiel pour le réseau secondaire peu aménagé des pays africains, tels que la Côte d’Ivoire, où le trafic routier est peu dense. Leur formulation requiert d’assurer la compatibilité de l’émulsion avec les granulats neufs et les agrégats d’enrobés selon leurs caractéristiques physico-chimiques respectives.Dans l’interaction émulsion-substrat, les tensioactifs sont amenés à jouer un rôle majeur dans les mécanismes de rupture, de mouillage et d’adhésion. Les performances finales des enrobés neufs et recyclés sont fortement dépendantes de ces processus qui se déroulent pendant les étapes de fabrication, de mise en œuvre et de mûrissement in situ.L’objectif de cette thèse est d’étudier les phénomènes aux interfaces émulsion-substrat en vue d’appréhender l’influence des paramètres de formulation de l’émulsion sur les propriétés de mise en œuvre et de durabilité des enrobés neufs et recyclés.La démarche de recherche s’est articulée suivant deux axes. Le premier axe a concerné l’étude à l’échelle microscopique des interactions émulsion-substrat, relativement aux phénomènes d’adsorption des tensioactifs, à la rupture des émulsions sur substrat, à la rhéologie des mélanges émulsion-filler et au mouillage de l’émulsion sur des substrats modèles. Le second axe a considéré l’étude à l’échelle macroscopique des enrobés neufs et recyclés à travers des essais d’adhésivité émulsion-granulat, de formulation à petite échelle et d’évaluation de la cohésion et la tenue à l’eau.A l’échelle microscopique, une différence d’adsorption des tensioactifs a été notée suivant le couple tensioactif-substrat. La vitesse de rupture des émulsions au contact des granulats est rapide à mesure que la teneur en SiO2 augmente. Au niveau rhéologique, le comportement des mélanges émulsion-filler est influencé par la nature et la teneur en tensioactif, la surface spécifique des granulats et le ratio émulsion-filler. Les agrégats d’enrobés ont présenté des angles de contact plus élevés et des travaux d’adhésion plus faibles avec l’émulsion que les granulats neufs ; cela suggère que dans le cadre du recyclage, l’émulsion mouillera préférentiellement les granulats neufs.A l’échelle macroscopique, les essais de formulation ont révélé une variation de la teneur en eau totale des mélanges en fonction de la nature et du dosage de tensioactif. Les tests de montée en cohésion et de tenue à l’eau, effectués sur les enrobés neufs et recyclés, ont indiqué des teneurs optimales en tensioactif selon la nature du granulat neuf vis-à-vis de ces propriétés. Les résultats ont par ailleurs montré un lien entre la force de poussée à court terme et la tenue à l’eau.Enfin, une confrontation des résultats aux deux échelles a permis d’établir des corrélations entre elles, de mieux préciser les mécanismes en jeu, en termes d’adsorption des tensioactifs sur les substrats, et d’appréhender la contribution du liant vieilli dans les performances mécaniques des enrobés recyclés grâce aux tensioactifs.

Given a political context in which energy and environmental stakes have become increasingly dominant, road engineering practices have favoured saving energy and protecting the environment. Among these practices, the use of cold mixes treated with bitumen emulsion has proven to be a suitable technique. Cold mix design however, as well as the design of pavements including cold mix asphalt layers, is highly empirical and based on local skills. From prior experience, the transposition of established local rules from one site to another and their application to medium or heavy traffic pavements are not simple steps and tend to limit the development of this environmentally-friendly pavement technique. The first step in designing a pavement consists of knowing the stress-strain relationship of its constitutive materials in order to determine the stresses and strains generated by heavy lorry traffic. During a second step, these values must be compared with the mechanical durability of materials by reliance on damage tests comprising large numbers of load cycles. In the case of CMA, no mechanical behaviour law has been established to take into account both the fresh and cured states. This work aims to improve the knowledge acquired on this material. For this, an evolutiv model for the cold mix asphalt with bitumen emulsion incorporating the evolution of the material from its fresh state to its cured state has been developed. In addition, a new characterization test was developed and put in place to monitor the evolution of the reversible mechanical performance of the material. The results obtained from the test campaigns helped to calibrate the model and show the relevance of the model.; Dans un contexte politique où les enjeux énergétiques et environnementaux sont de plus en plus importants, il faut favoriser les techniques économes en énergie et plus respectueuse de l'environnement. Parmi ces pratiques, l'utilisation d’enrobés à l’émulsion de bitume s'est révélée être prometteuse. La fabrication et la conception d’une chaussée comprenant une couche d’enrobé à l’émulsion sont très empiriques et reposent sur des compétences locales qui tendent à en limiter le développement. La première étape pour concevoir une chaussée consiste à connaître le comportement mécanique réversible engendrées par de lourd trafic de chaque matériau qui la compose. Lors d'une deuxième étape, ces valeurs doivent être comparées aux critères de durabilité mécanique des matériaux. Dans le cas de l'enrobé à l’émulsion, aucune loi de comportement mécanique n'a été établie pour tenir compte à la fois de son états frais et durcis. Ce travail de thèse vise donc à pallier à ce manque et à améliorer les connaissances acquises sur ce matériau. Pour cela, un modèle évolutif pour l’enrobé à l’émulsion intégrant l'évolution du matériau de son état frais à l'état durci a été développé. De plus, un nouvel essai de caractérisation a été développé et mis en place pour permettre de suivre l’évolution des performances mécaniques réversibles du matériau. Les résultats obtenus à partir des différentes campagnes d’essais ont permis de caler le modèle et de montrer la pertinence du modèle.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Dans un contexte politique où les enjeux énergétiques et environnementaux deviennent de plus en plus forts, la communauté routière souhaite favoriser des techniques plus économes en énergie et plus respectueuses de l'environnement. Parmi celles-ci, l'enrobé bitumineux à l'émulsion de bitume apparaît comme une technique à déployer plus largement sur les réseaux routiers. En effet, cette technique utilise de l'émulsion de bitume qui, comparée aux enrobés à chaud, nécessite moins d'énergie et limite les rejets de GES lors de sa fabrication. Toutefois, la formulation du mélange ainsi que les approches des performances d'une chaussée intégrant une couche d'enrobé à l'émulsion restent empiriques et sont basées sur des savoir-faire locaux. Ceci qui entrave le développement de cette technique. En règle générale, la première étape pour dimensionner une chaussée consiste à connaitre le comportement mécanique réversible de chacune des couches qui la composent afin de déterminer les champs de contrainte et de déformation de la chaussée au passage des charges roulantes. Dans un deuxième temps, ces valeurs sont comparées aux seuils des critères de durabilité mécanique de ces matériaux. Le modèle pour enrobé à chaud utilisé jusqu'à présent pour dimensionner les enrobés à l'émulsion est inadéquat car le modèle pour enrobé ne prend pas en compte l'évolution de ce matériau de son état frais à son état mûri. Ce manque de connaissance peut expliquer pourquoi dimensionner une couche d'enrobé à l'émulsion est si complexe et explique le fait que ce matériau ne soit pratiquement pas utilisé dans les chaussées à fort trafic. La première partie de cet article présente un modèle évolutif pour enrobé à l'émulsion qui prend en compte l'évolution de son état frais à son état mûri en utilisant les modèles de Boyce et de Huet. Ce modèle pour enrobé à l'émulsion est réalisé à partir de la décomposition spectrale des deux modèles puis par leur juxtaposition. L'évolution du comportement mécanique de ce matériau est due à la viscosité du modèle de Huet qui est considérée comme dépendant non seulement de la température mais aussi du vieillissement du matériau. La deuxième partie de cet article montre la réponse en déformation de ce modèle à la simulation de différents types de contraintes.

National audience; La réalisation de surfaces en enrobés bitumineux est courante et bien maîtrisée par les professionnels. Cependant, dans le cas des enrobés à froid utilisés pour réaliser des allées et voies à faible trafic, l’application d’une couche de quelques centimètres de produits sur une couche de forme compactée peut conduire à des dégradations importantes. Un tel produit est très sensible au cisaillement. La friction d’un pneu lors d’un braquage prononcé peut induire le déchaussement des graviers enrobés situés sur la surface ou dans les cas les pires une déformation importante de la couche d’enrobé.L’objectif de l’étude est de développer un test de laboratoire susceptible de reproduire ce type de dégradation, outil nécessaire avant d’envisager une optimisation des formulations. L’évaluation de la performance de l’enrobé à froid sous l’effet d’un cisaillement est réalisée à l’aide d’un essai de torsion. Un patin élastomère est appliqué sur un échantillon réaliste d’enrobé à froid. Le patin est comprimé sur la surface de l’échantillon à l’aide d’une presse universelle. L’échantillon est fixé sur la base de la machine. Le patin est relié à la traverse mobile de la machine dont le déplacement est piloté. Après mise en pression, le patin est mis en rotation à l’aide d’une tête rhéométrique de capacité 100 Nm. Lors de la rotation, la presse permet le déplacement vertical du patin afin de garantir le maintien de la force normale. Les mesures du couple de rotation, de la vitesse de rotation, de l’effort normal et du déplacement du patin durant l’essai sont enregistrées.Pour réaliser les essais, les enrobés sont placés dans des moules prismatiques de faible profondeur (4 cm). Les moules sont métalliques, de surface 30 cm x 30 cm. La profondeur a été choisie de façon à reproduire une épaisseur normale d’application du produit. La mise en place de l’enrobé à froid dans les moules est réalisée conformément aux techniques de mise en œuvre sur chantier (compactage à la plaque vibrante ou au rouleau). Sur chaque échantillon, le protocole est répété plusieurs fois, jusqu’à trois fois, si l’état de l’échantillon le permet. Les essais sont réalisés à différentes échéances après mise en œuvre dans les moules et/ou à différentes températures.Les enregistrements permettent d’interpréter les résultats en analysant l’évolution de la contrainte de cisaillement, de la contrainte normale et du déplacement du patin pendant l’essai. L’identification des contraintes d’adhérence et de friction et les déformations rémanentes, les effets de dilatance ou de compaction sont autant de paramètres d’interprétation du test.En illustration, le test a été utilisé pour optimiser la formulation d’un enrobé bitumineux drainant. Les effets de l’application d’un traitement durcisseur de surface, de la modification du type de bitume, de la nature de l’émulsion et du squelette granulaire ont été évalués.

Asphalt mix manufacturing requires heating and the drying of aggregates. The induced energy cost has opened the way to develop alternatives processes with low energy/ carbon materials such as Warm Mix (WMA). Their manufacturing requires specifics techniques to achieve similar performances to those of Hot Mix (HMA). However, the manufacturing temperature reduction can locally lead to imperfect bonding between bitumen and aggregates, although bonding quality measurement remains a challenge. This paper deals with mechanical performance of some mixes manufactured according to WMA processes in comparison to HMA. In addition, bitumen was extracted from the mixes and its rheological properties were studied. In a second step, the bonding quality was assessed by studying the heat fluxes exchanged between hot bitumen and warm aggregate in asphalt mix manufacturing conditions. This approach is based on the Thermal Contact Resistance (TCR) assessment at the binder / aggregate interface. The TCR reflects the contact imperfection at the microscopic scale when two materials are put into contact. This TCR was proposed as bonding quality indicator. Our studies showed that bonding quality depends on bitumen and aggregate temperatures during the contact. The higher the component’s temperatures, the lower the TCR values and better the bonding quality.

Dans le cadre d'un groupe de travail RST/USIRF sur la 'Méthodologie d'étude des matériaux à l'émulsion de bitume',une réflexion a été menée sur l'évaluation des procédés d'extraction du liant des enrobés à l'émulsion. Cet article reprend les différents résultats obtenus et identifie les paramètres relatifs aux opérations de préparation, d'extraction et de distillation les plus influents sur les caractéristiques des liants. Les résultats sont proposés en vue d'une adaptation des méthodes d'essais utilisées (qui sont celles dédiées aux enrobés à chaud) à la spécificité des enrobés à froid: nature des constituants (exemple: présence de fluxants volatils ou non) et évolution des propriétés mécaniques (phénomènes encore mal connus relatifs à l'oxydation du liant, aux interactions bitume/émulsifiants/granulats).

In a political context in which energy and environmental stakes become increasingly strong, road engineering evolves to saving energy and environmentally friendly practices. Cold mixes treated with bitumen emulsion appear as suitable techniques. Cold mix design and manufacture are empirical and usually controlled thanks to local competences. However, in order to set performance-based mix and pavement design methodologies, it is necessary to assess the cold bituminous mixes in situ behaviour, as during their early life, they behave as non treated gravel, and evolve with time and traffic to bituminous bound materials. After two experimental sections in 2006 and in 2008, a third experimental section was constructed in 2008 on the French departmental road network, in the frame of a research collaboration between LCPC and the French Union of Road contractors (USIRF) to provide fully documented data. A cold bituminous mix treated with emulsified bitumen (grave-emulsion) was used as a structural pavement layer. Mechanical and physical evolution of the grave-emulsion is evaluated by means of temperature probes, water content measurements, strain measurements through gauges and optical fibres inlaid during the laying process as well as ex situ monitoring survey such as deflexion, density and rutting measurements. In this paper, the methodology, the probes used and the instrumental implementation are described. Data collected from this in situ monitoring are also presented.

Laboratory asphalt mix design methodologies are aimed at predicting compaction behaviour and determining the mechanical characteristics of mixes. The French laboratory methodology for hot bituminous mixes is partially devoted to a compactability assessment. Samples a characterised by tests using the Gyratory Compactor. In this test, loose material is submitted to simultaneous compressive and shear forces, which lead to an internal aggregate reorganisation. The current French experimental device, called PCG3', was devoted strictly to hot bituminous mix characterisation. At present however, compactability properties of emulsion-treated gravel also appear as critical information due to the growing interest in bituminous cold mixes within an environmentally-friendly context. A research project has been conducted in order to adapt the current PCG3' to allow for the compaction of cold mixes by adding the functionality of collecting extruded water due to emulsion breaking.

Cold bituminous mixes as emulsion treated materials are considered as high potential development products for the future safe and environmentally friendly road materials. Laboratory asphalt mix design methodologies are aimed at predicting on site behaviour and determining the mechanical characteristics of mixes. The emulsion design method cold mixes is currently based on specifications which are used for hot mix asphalt. In some cases, laboratory behaviour fail to predict the on site one. In order to achieve laboratory optimization rules and design pavements including cold asphalt mixes, complementary test methods are required. This paper presents a methodology based on four tests to improve emulsion treated materials mix design and optimise mix components choice and proportioning by : - assessing the coating quality and the mix consistency, - monitoring the mix hardening versus time, - characterizing the chemical reactivity of aggregates in presence of cationic bituminous emulsion, - assessing the mix ability to drain water from manufacturing up to implementation.

In a political contest in which energy and environmental stakes become increasingly strong, road engineering evolve to saving energy and environmentally friendly practices. Cold mixes treated with bitumen emulsion appear as suitable techniques. Cold mix design and manufacture are empirical and usually controlled thanks to local competences. However, in order to set performance-based mix and pavement design methodologies, it is necessary to assess the cold bituminous mixes in situ behaviour, as during their early life, they behave as no treated gravel, and evolve with time and traffic to bitumen bound materials. A research program is started at LCPC with collaboration of the French Road And Bridges Regional Laboratories to answer this waiting. A first experimental worksite has been carried out in October 2006 on the French departmental road network with a cold bituminous mix treated with emulsified bitumen such as gravel-emulsion used in structural pavement layer. Mechanical and physical evolution of the gravel emulsion is evaluated by mean of temperature probes, inner water content measurements, strain measurements through gauge included during the laying process as well as ex situ monitoring survey such as deflectograph. In this paper, jobsite methodology probes used and instrumental implementation are described. Data collected from this in site monitoring follow-up are also discussed.

In a political context in which energy and environmental stokes become increasingly stron, road engineering evolves to energy savings and environmentally friendly practices. In this context, cold mixes treated with bitumen emulsion appear as suitable techniques. Cold mix design and manufacture are empirical and usually controlled thanks to local competences. Based on experimental principles, these methods do not provide fundamental answers to issues such as mixing, transport, workability, compactability, mechanical resistance and coating quality. A research program is started at LCPC with the collaboration of the French Road and Bridges Regiional Laboratories to answer this waiting. An emulsion treated gravel (GE 0/14) with a residual bitumen content of 4,5% ws implemented on a French experimental jobsite in October 2006. Loose jobsite materials and samples manufactured in Laboratory with materials (aggregates and emulsion) coming from jobsite have been characterized. Traditional tests used in the French hot mix design methodology as well as more specific techniques such as triaxial apparatus for cyclic loadings, used to assess mechanical characteristic of unbound granular materials, have been used. This paper presents current normative and also innovating properties linked to implementation behaviour, rheological behaviour and time-dependance (cohesion increase) of emulsion treated gravel.