Fiche de révision : Matériaux bitumineux et chaussées

📋 Plan du Cours

1. Fonctions et sollicitations des chaussées
2. Couches et support de chaussée
3. Types de structures de chaussée
4. Dimensionnement et trafic
5. Portance et matériaux de chaussée
6. Vérification mécanique et résistance au gel
7. Teneur en liant et performances
8. Formulation et essais des enrobés

📖 1. Fonctions et sollicitations des chaussées

🔑 Notions clés & Définitions

• Chaussée : Structure plane et étanche composée de couches successives reposant sur une plate-forme support, qui supporte et répartit les efforts du trafic vers le sol.

★ À maîtriser

• La fonction de surface d’une chaussée assure la sécurité par l’adhérence pneu-chaussée, le confort par la régularité de la surface et la protection contre les intempéries et les agressions du trafic.

• La fonction structurelle d’une chaussée consiste à résister mécaniquement aux charges du trafic, à transmettre et répartir les efforts vers le sol support et à limiter les sollicitations et déformations pendant sa durée de vie.

Compléments

• Sous le trafic, la compression répétée entraîne des déformations permanentes et de l’orniérage, tandis que la traction répétée provoque la fatigue du matériau, la fissuration ou la rupture.

💡 Astuce mémo

Surface = adhérence et confort ; structure = résistance et répartition des charges.

📖 2. Couches et support de chaussée

🔑 Notions clés & Définitions

• Plate-forme support : Surface supérieure de la couche de forme, à l’interface entre les terrassements et la structure de chaussée, qui supporte celle-ci et fournit une surface homogène et suffisamment portante aux couches d’assise.
• Couche de forme : Située entre la partie supérieure des terrassements et la structure de chaussée, elle améliore la portance, homogénéise les caractéristiques du support et contribue à la protection contre le gel ; elle n’est pas nécessaire si le support est suffisamment portant.

★ À maîtriser

• Les couches de surface sont en contact direct avec le trafic et résistent aux agressions climatiques, limitent les infiltrations d’eau, assurent l’étanchéité, l’adhérence, le confort de roulement et la sécurité.

• À long terme, les couches d’assise supportent les charges verticales du trafic et répartissent et transmettent les efforts vers la plate-forme support.

Compléments

• À court terme, les couches d’assise fournissent un support régulier et portant aux couches supérieures, permettent la circulation des engins de chantier et peuvent servir temporairement de couche de roulement.

• L’uni longitudinal désigne la régularité du profil de la chaussée dans le sens de circulation ; un mauvais uni entraîne inconfort et sollicitations dynamiques du véhicule et de la chaussée, tandis qu’un bon uni réduit les vibrations et améliore le confort.

📖 3. Types de structures de chaussée

📝 Points essentiels

• Une chaussée souple est déformable et dépend fortement de la portance du support, convient plutôt aux trafics faibles à moyens et présente des risques d’orniérage et de déformation du support ; une chaussée bitumineuse épaisse fait porter l’essentiel de la résistance mécanique aux couches bitumineuses, convient aux trafics moyens à forts et expose à la fatigue, à la fissuration et à l’orniérage.

• Une chaussée semi-rigide répartit bien les charges pour les trafics forts à très forts, mais peut fissurer dans l’assise et transmettre les fissures en surface ; une chaussée mixte combine les performances de matériaux différents pour les trafics importants, avec des risques de fatigue et de remontée des fissures.

• Dans une chaussée à structure inverse, une couche granulaire découple notamment les couches liées afin de limiter la propagation des fissures de l’assise hydraulique vers la surface ; une chaussée rigide répartit les charges sur une grande surface grâce à sa forte rigidité et convient aux trafics lourds ou fortement canalisés.

📖 4. Dimensionnement et trafic

🔑 Notions clés & Définitions

• Dimensionnement des chaussées : Détermine la nature et l’épaisseur des couches nécessaires pour supporter le trafic prévu pendant une durée de service donnée.

★ À maîtriser

• Les principaux facteurs du dimensionnement sont :
  • le trafic et ses poids lourds
  • la portance de la plate-forme support
  • les propriétés des matériaux
  • le climat, notamment le gel
  • la durée de service envisagée

📐 Formule - Le trafic cumulé sur la durée de dimensionnement est calculé par $TCI = 365 \times TMJAd \times C$, où TMJAd est le trafic moyen journalier annuel de poids lourds par sens et C le coefficient de cumul.

Compléments

• En France, la norme NF P 98-086 (2019) encadre le dimensionnement des chaussées neuves, notamment le choix de la structure, des matériaux et des épaisseurs de couches.

• La durée de dimensionnement est de 30 ans pour les voies du réseau structurant (VRS), comme les autoroutes, et de 20 ans pour les voies du réseau non structurant (VRNS), correspondant aux autres routes.

📐 Formule - Le coefficient de cumul prenant en compte la durée n et l’évolution du trafic τ est $C = \frac{(1+\tau)^n-1}{\tau}$.

📐 Formule - Le trafic cumulé équivalent est calculé par $NE = TCI \times CAM$, où CAM est le coefficient d’agressivité moyen, dépendant du type de véhicules.

📖 5. Portance et matériaux de chaussée

🔑 Notions clés & Définitions

• Module de déformation : Caractérise la rigidité d’un matériau et s’exprime souvent en GPa ; plus E est élevé, plus le support est rigide et moins ses déformations sont importantes.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le module de déformation vérifie $E = \frac{\sigma}{\varepsilon}$, où σ est la contrainte et ε la déformation relative.

• 🔄 L’évaluation de la portance à long terme suit ces étapes : caractériser le sol support et l’environnement hydrique défavorable, déterminer la classe de portance de l’arase ARi, choisir les matériaux et l’épaisseur de la couche de forme, déterminer la classe de plate-forme PFj selon le GTR

Compléments

📐 Formule - La contrainte est l’effort appliqué par unité de surface et vérifie $\sigma = \frac{F}{S}$ ; elle est souvent exprimée en MPa.

📐 Formule - La déformation relative correspond à la variation relative de longueur et vérifie $\varepsilon = \frac{\Delta L}{L}$ ; elle est souvent exprimée en 10⁻⁶.

• Le choix de la structure dépend des matériaux disponibles, du trafic, de la portance du support et du coût ; le catalogue du Cerema fournit des structures types de chaussées neuves.

• Les matériaux de surface comprennent :

  • ES (enduit superficiel)
  • ECF (enrobé coulé à froid)
  • BBM (béton bitumineux mince)
  • BBTM (béton bitumineux très mince)
  • BBDr (béton bitumineux drainant)
  • BBSG (béton bitumineux semi-grenu)
  • BBME (béton bitumineux à module élevé)

• Les matériaux d’assise comprennent :

  • les graves non traitées (GNT)
  • GB (grave-bitume)
  • EME (enrobé à module élevé)
  • GE (grave-émulsion)
  • GC (grave-ciment)

📖 6. Vérification mécanique et résistance au gel

★ À maîtriser

📌 La vérification mécanique compare les sollicitations calculées aux sollicitations admissibles de la structure, puis vérifie la résistance au gel.

Compléments

• La vérification de la déformation horizontale impose $\varepsilon_{t\,calculée} < \varepsilon_{t\,admissible}$ afin de limiter le risque de fatigue.

• La vérification de la déformation verticale impose $\varepsilon_{z\,calculée} < \varepsilon_{z\,admissible}$ afin de limiter le risque d’orniérage.

• La vérification au gel impose que l’indice de gel admissible par la structure IA soit supérieur à l’indice de gel de référence du projet IR, soit $IA > IR$.

📖 7. Teneur en liant et performances

📝 Points essentiels

• Une teneur en liant insuffisante forme un film trop mince, enrobe mal les granulats, réduit leur cohésion, augmente généralement la teneur en vides et la sensibilité à l’eau et à l’air, accélère le vieillissement du liant et expose à la désagrégation et à la fissuration.

• Une teneur en liant excessive forme un film trop épais, réduit trop la teneur en vides et la stabilité du squelette granulaire, rend l’enrobé plus déformable et expose à l’orniérage et au ressuage.

• Une teneur en liant adaptée permet un compromis entre :

  • compactibilité
  • tenue à l’eau
  • résistance à l’orniérage
  • durabilité

💡 Astuce mémo

Film trop mince → cohésion et protection réduites ; film trop épais → stabilité réduite et déformations accrues.

📖 8. Formulation et essais des enrobés

🔑 Notions clés & Définitions

• Presse à cisaillement giratoire : Sert à évaluer la compactabilité d’un enrobé bitumineux.
• Essai d’orniérage : Évalue la résistance de l’enrobé aux déformations permanentes sous l’effet combiné du trafic et de la température.

★ À maîtriser

• La formulation en laboratoire des mélanges bitumineux à chaud comprend le chauffage des granulats à la température de malaxage, le chauffage du bitume à cette température pendant 2 h, le chauffage du malaxeur, le malaxage à sec des granulats pendant 30 s, puis l’ajout du bitume et le malaxage de l’ensemble pendant 5 min.

Compléments

• La formulation des mélanges bitumineux à chaud est associée à la norme EN 12697-35.

• L’essai à la presse à cisaillement giratoire est la norme NF EN 12697-31 et mesure le pourcentage de vides de l’enrobé.

📌 Pour un BBSG 0/10, l’exemple de spécification de sensibilité à l’eau indique que le rapport r/R doit être supérieur à 0,75.

• L’essai d’orniérage est réalisé à 60 °C avec une charge de 5 kN, un pneu de diamètre 400 mm, une pression de 0,6 MPa et une éprouvette de 180 × 500 mm d’épaisseur 50 ou 100 mm.

💡 Astuce mémo

Granulats chauffés → malaxage à sec → ajout du bitume → malaxage final.