Fiche de révision : Matériaux bitumineux et granulats

📋 Plan du Cours

1. Définition et types d’enrobés
2. Histoire des matériaux bitumineux
3. Enjeux et importance des matériaux bitumineux
4. Cycle de vie des enrobés
5. Origine et production des granulats
6. Granularité et familles de granulats
7. Résistance des granulats à l’abrasion
8. Résistance des granulats à l’usure
9. Rôle des granulats dans la chaussée
10. Origine et structure du bitume
11. Propriétés et grades du bitume
12. Composition des enrobés bitumineux
13. Formulation des enrobés à chaud

📖 1. Définition et types d’enrobés

🔑 Notions clés & Définitions

• Matériau bitumineux : Famille de matériaux dans laquelle un liant bitumineux assure la liaison entre différents constituants.
• Enrobé bitumineux : Matériau composite constitué d’un mélange granulaire de sable, de gravillons et de fines lié par du bitume.

★ À maîtriser

• Un enrobé à chaud, le type le plus courant, est fabriqué entre 150 et 180 °C en chauffant le bitume et les granulats pour réduire la viscosité du bitume et faciliter le malaxage, l’enrobage et le compactage.

Compléments

• L’enrobé tiède est fabriqué entre 120 et 140 °C grâce à des procédés qui préservent la maniabilité du mélange tout en limitant les besoins en énergie.

• L’enrobé semi-tiède est fabriqué entre 60 et 100 °C et recourt à des procédés adaptés pour maintenir un enrobage satisfaisant des granulats.

• L’enrobé à froid est fabriqué entre 20 et 60 °C, généralement avec une émulsion de bitume qui permet de disperser le bitume dans l’eau sans chauffage important.

💡 Astuce mémo

À chaud, on chauffe les constituants ; à froid, une émulsion disperse le bitume dans l’eau.

📖 2. Histoire des matériaux bitumineux

★ À maîtriser

• Le bitume naturel est utilisé en Mésopotamie depuis environ 4000 av. J.-C., notamment pour ses propriétés adhésives, imperméabilisantes et protectrices. - Forbes, R. J., Bitumen and Petroleum in Antiquity, 1936

• Au XIXᵉ siècle, le développement de l’industrie pétrolière et du raffinage permet de produire du bitume en grandes quantités et avec des caractéristiques mieux maîtrisées. - U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration, Building Roads

• Les évolutions visent (U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration) : les performances mécaniques, la durabilité, la maîtrise des températures de fabrication et de mise en œuvre, la préservation des ressources, le recyclage, la réduction des impacts environnementaux

Compléments

• Dans l’Antiquité, le bitume sert (Forbes, R. J., 1936) : à l’étanchéité des constructions et des embarcations, au scellement des matériaux, comme liant dans certains ouvrages

• Du Moyen Âge au XIXᵉ siècle, l’emploi du bitume reste localisé et dépend surtout de la présence de gisements naturels, tandis que ses techniques d’utilisation demeurent empiriques. - U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration, Building Roads

• À Paris, des applications de roche asphaltique apparaissent dès les premières décennies du XIXᵉ siècle, alors que les matériaux bitumineux commencent à servir au revêtement des rues et des routes. - U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration, Building Roads

• L’essor de l’automobile augmente fortement les besoins en chaussées souples et en revêtements bitumineux, et le bitume devient l’un des principaux liants routiers. - U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration, Building Roads

💡 Astuce mémo

Étanchéité antique → chaussées urbaines → essor pétrolier et automobile → durabilité.

📖 3. Enjeux et importance des matériaux bitumineux

★ À maîtriser

• Les matériaux bitumineux constituent l’une des principales familles de matériaux utilisées dans les infrastructures routières et représentent une activité industrielle importante des travaux publics.

• À l’échelle mondiale, environ 106 Mt de bitume sont consommées par an, dont environ 14 Mt par an en Europe.

• En France, les données de 2022 indiquent une consommation de 2,25 Mt de bitume et une production de 32,4 Mt d’enrobés à chaud.

Compléments

• Environ 90 % du bitume est destiné à la construction routière et environ 10 % à d’autres applications industrielles.

• En France, environ 70 % des techniques d’enrobage sont à chaud et 30 % à froid.

• La France compte 468 postes d’enrobage, dont environ 430 fixes, et 81 usines de liants, selon les données de 2022.

📖 4. Cycle de vie des enrobés

🔑 Notions clés & Définitions

• Chaussée : Structure plane et étanche constituée de plusieurs couches successives reposant sur une plate-forme support et permettant de supporter et répartir les efforts du trafic vers le sol support.

★ À maîtriser

• La formulation d’un enrobé consiste à choisir :

  • les constituants
  • leurs proportions
  • le type de liant
  • la teneur en liant

• 🔄 La fabrication et la mise en œuvre comprennent : la préparation et le mélange homogène des constituants, le transport sur chantier, l’étalement, le compactage

Compléments

• Les sollicitations en service peuvent entraîner :

  • une déformation permanente
  • l’orniérage
  • la fissuration
  • la fatigue
  • une modification des propriétés du liant

• 🔄 Lors de l’entretien ou de la réhabilitation, les matériaux peuvent être :

  1. récupérés
  2. fraisés
  3. transformés en enrobés recyclés
  4. caractérisés
  5. réincorporés dans de nouveaux mélanges

💡 Astuce mémo

Matières premières → formulation → fabrication et mise en œuvre → service → recyclage.

📖 5. Origine et production des granulats

🔑 Notions clés & Définitions

• Granulat : Ensemble de grains minéraux ou de particules de matière solide utilisé dans les matériaux de construction et principalement classé selon la dimension des grains, appelée granularité.

★ À maîtriser

• Les granulats naturels sont d’origine minérale, proviennent de roches meubles ou massives et ne subissent que des transformations mécaniques comme le concassage, le broyage, le criblage ou le lavage.

• La production française de granulats atteint environ 400 millions de tonnes par an depuis 2000.

Compléments

• Les granulats artificiels sont d’origine minérale et résultent d’un procédé industriel comprenant des transformations thermiques ou autres.

• Les granulats recyclés sont obtenus par traitement d’une matière inorganique précédemment utilisée dans la construction, comme des agrégats d’enrobé.

• La production française se répartit approximativement entre :

  • granulats alluvionnaires à 34 %
  • granulats calcaires à 25 %
  • granulats marins à 2 %
  • granulats artificiels à 2 %
  • autres sables à 5 %
  • granulats recyclés à 3 %
  • granulats éruptifs à 29 %

• Les chantiers routiers, ferroviaires et de VRD représentent près de 60 % de la consommation française de granulats, soit plus de 200 Mt par an, et un kilomètre d’autoroute nécessite environ 30 000 tonnes de granulats.

• 🔄 La fabrication en carrière comprend : le dynamitage de la roche en gros blocs, le concassage des blocs, le criblage selon la taille, de nouveaux concassages des éléments trop gros, le lavage et le stockage par classe granulaire

📖 6. Granularité et familles de granulats

★ À maîtriser

• Le tamisage sur une série de tamis normalisés permet d’établir la courbe granulométrique et de définir la classe granulaire d/D du granulat.

• Dans la notation d/D, d et D désignent respectivement les dimensions inférieure et supérieure du granulat ; 0/D désigne une grave, mélange de fines à D, tandis que d/D avec d supérieur à 0 désigne un gravillon.

Compléments

• Selon la norme NF EN 933-2, les fillers sont des granulats 0/D avec D inférieur à 2 mm et au moins 70 % de passant à 0,063 mm.

• Selon la norme NF EN 933-2, les sablons sont des granulats 0/D avec D inférieur à 1 mm et moins de 70 % de passant à 0,063 mm.

• Selon la norme NF EN 933-2, les sables sont des granulats 0/D avec D inférieur à 4 mm.

• Selon la norme NF EN 933-2, les graves sont des granulats 0/D avec D supérieur à 6,3 mm.

• Selon la norme NF EN 933-2, les gravillons ont une notation d/D avec d supérieur à 1 mm et D inférieur à 125 mm, tandis que les ballasts ont d supérieur à 25 mm et D inférieur à 50 mm.

📖 7. Résistance des granulats à l’abrasion

🔑 Notions clés & Définitions

• Essai Los Angeles : Mesure de la résistance combinée des granulats à la fragmentation par chocs et à l’usure par frictions.

📝 Points essentiels

• L’essai Los Angeles s’applique aux granulats utilisés pour les assises de chaussées, y compris les couches de roulement.

• L’essai Los Angeles est pratiqué sur les classes :

  • 4/6 mm
  • 6/10 mm
  • 10/14 mm
  • 10/25 mm
  • 16/25 mm
  • 25/50 mm

• L’essai Los Angeles est défini par la norme française NF P18.573.

📖 8. Résistance des granulats à l’usure

★ À maîtriser

• L’essai Micro-Deval mesure la quantité d’éléments inférieurs à 1,6 mm produits par les frottements réciproques et les chocs modérés des granulats dans la machine.

• L’essai Micro-Deval évalue la résistance des granulats au frottement et à l’abrasion en présence d’eau.

• La sensibilité des granulats au gel-dégel est évaluée en laboratoire au moyen de cycles accélérés de gel-dégel.

• Dans un granulat poreux, l’eau pénètre dans les pores, puis son gel augmente son volume d’environ 9 %, ce qui crée des pressions internes pouvant fissurer ou désagréger les grains.

Compléments

• L’essai Micro-Deval est défini par la norme française NF P18.572.

• Pour les couches de roulement, le coefficient de polissage accéléré PSV caractérise la résistance au polissage, associée à la microrugosité.

📖 9. Rôle des granulats dans la chaussée

🔑 Notions clés & Définitions

• GNT : Graves non traitées.

★ À maîtriser

• Les granulats représentent 90 à 100 % des produits routiers.

Compléments

• Dans les couches de roulement en enrobés, les granulats représentent 94 à 96 % du matériau.

• Dans les couches de base et de fondation, les granulats représentent 94 à 96 % des enrobés, 90 à 97 % des GTLH, 88 à 95 % des STLH et 100 % des GNT.

• Dans les couches de forme, les granulats représentent 100 % des GNT, 96 à 97 % des GTLH et 93 à 95 % des STLH.

📖 10. Origine et structure du bitume

🔑 Notions clés & Définitions

• Bitume : Matériau organique visqueux et noir, constitué d’un mélange complexe d’hydrocarbures.
• Familles SARA : Les familles SARA sont les saturés, les aromatiques, les résines et les asphaltènes, qui constituent les quatre familles génériques de la composition chimique du bitume.

★ À maîtriser

• Le bitume routier provient soit de gisements naturels, de lacs bitumineux ou de roches imprégnées, soit principalement du raffinage du pétrole, où il correspond à la fraction lourde récupérée notamment après distillation.

• Dans le bitume de type SOL, les asphaltènes sont bien dispersés et relativement isolés dans la phase malténique, tandis que dans le type GEL ils sont davantage associés et peuvent former un réseau.

• SOL et GEL décrivent l’organisation des asphaltènes dans les maltènes, tandis que dur et souple décrivent la consistance du liant.

Compléments

• Le bitume est composé approximativement de 80 % de carbone et de 10 % d’hydrogène.

• Le bitume natif résulte de transformations naturelles de matières organiques sur de très longues périodes et son usage routier est aujourd’hui beaucoup plus limité que celui du bitume issu du raffinage.

💡 Astuce mémo

SOL : asphaltènes dispersés ; GEL : asphaltènes associés en réseau.

📖 11. Propriétés et grades du bitume

★ À maîtriser

• La consistance du bitume varie avec la température : il devient plus fluide lorsqu’il est chauffé et plus rigide lorsqu’il refroidit.

• L’essai de pénétrabilité selon EN 1426 (NF T 66-004) mesure la pénétration d’une aiguille dans le bitume à 25 °C pendant 5 secondes sous une charge de 100 g.

• L’essai bille et anneau selon EN 1427 (NF T 66-008) détermine le point de ramollissement du bitume.

• L’indice de pénétrabilité IP caractérise la variation de consistance du bitume avec la température et varie globalement de −3 à +7.

Compléments

• Les essais conventionnels du bitume portent sur : la consistance, les propriétés spécifiques liées à son évolution pendant la fabrication et dans le temps, les propriétés liées à la mise en œuvre, la densité, le point d’éclair

• Les classes de pénétrabilité présentées sont 20/30, 35/50, 50/70, 70/100 et 160/220, exprimées en dixièmes de millimètre.

📌 Un bitume dont l’IP est proche de −3 est très susceptible à la température, tandis qu’un bitume dont l’IP est proche de +7 est peu susceptible.

📖 12. Composition des enrobés bitumineux

★ À maîtriser

• Un enrobé à chaud est composé d’environ 95 % de mélange granulaire et 5 % de liant bitumineux.

Compléments

• Le mélange granulaire comprend :

  • des gravillons de dimension supérieure à 2 mm
  • du sable 0/2 mm
  • du filler inférieur à 63 μm

• La température de fabrication indiquée pour un enrobé à chaud est de 150 à 180 °C.

📖 13. Formulation des enrobés à chaud

🔑 Notions clés & Définitions

• Masse volumique réelle : Masse volumique théorique des constituants solides et du liant, sans tenir compte des vides d’air, et dépend des proportions et des masses volumiques réelles des constituants.

📝 Points essentiels

📐 Formule - Le pourcentage de compacité est égal à $100 \times \frac{\text{masse volumique apparente}}{\text{masse volumique réelle}}$.

• Le pourcentage de vides est égal à $100 - \text{pourcentage de compacité}$.

📌 La teneur en liant externe est exprimée par rapport à la masse des granulats, tandis que la teneur en liant interne est exprimée par rapport à la masse totale de l’enrobé, granulats et liant réunis.

• 🔄 La formulation au laboratoire suit ces étapes :
  1. Chauffer les granulats à la température de malaxage.
  2. Chauffer le bitume à la température de malaxage pendant 2 heures.
  3. Chauffer le malaxeur.
  4. Mélanger les granulats à sec pendant 30 secondes.
  5. Ajouter le bitume.
  6. Mélanger l’ensemble pendant 5 minutes.

💡 Astuce mémo

Matériaux → mélange granulaire → masse volumique → teneur en liant → malaxage.

📊 Tableaux de synthèse

Organisation colloïdale du bitume