Etude de formulation d'un béton bitumineux à froid destiné aux travaux de revêtement routier en milieu tropical

Revue Internationale de la Recherche Scientifique (Revue-IRS) ISSN: 2958-8413 Vol. 3, No. 6, Novembre 2025 This is an open access article under the CC BY-NC-ND license. http://www.revue-irs.com 6718 Etude de formulation d’un béton bitumineux à froid destiné aux travaux de revêtement routier en milieu tropical Israël MAMAH1, Higinio Menendez MILANES2, Kaboudja Djagri WADJA3 Komla BOUAMEY4 1 Dr. Ing. en Génie des Structures de Bâtiments et d’Ouvrages, Consultant à Tropical Engineering Consult (TrEC) , 13 BP 556, Lomé-Togo 2 Professeur Titulaire, Bircham International University , Département des Sciences de l’Ingénierie Génie Civil, 2, C.P.28691, Madrid-Espagne 3 Directeur Général de Tropical Engineering Consult (TrEC) , Expert Géotechnique auprès des Cours et Tribunaux, 13 BP 556, Lomé-Togo 4 Chef du Laboratoire de pointe du Bureau d’études géotechniques Tropical Engineering Consult (TrEC) , 13 BP 556, Lomé-Togo Résumé Ce travail a pour but l’étude de formulation relative aux caractéristiques physiques et mécaniques d’un béton bitumineux à froid (BBF) compacté en milieu tropical. Le BBF est un matériau essentiellement composé de granulats (graviers et sables), de fines (charges minérales) et d’un liant hydrocarboné, généralement une émulsion de bitume qui agit à température ambiante pour enrober les granulats. A cet effet, le BBF reste un matériau de construction conventionnel en travaux routiers sauf qu’il n’est pas souvent utilisé dans les pays tropicaux comme le Togo parce qu’il a fait l’objet de beaucoup de réticence pour sa maîtrise d’œuvre de la part des constructeurs dans le domaine routier, compte tenu surtout des conditions de sa mise en œuvre en inadéquation à notre climat chaud. Cependant, on estime son coût de réalisation inférieur à celui de l’enrobé à chaud en termes de dépense en matériaux, matériels et de mains d’œuvre, ce qui nous a poussé à vouloir expérimenter ce matériau de construction routière via le développement d’une étude sur le béton bitumineux à froid en laboratoire. Les travaux se sont déroulés en trois phases : la première phase a consisté au prélèvement in-situ des échantillons cylindriques par carottage sur une route revêtue d’enrobé coulé à froid afin de déterminer la teneur en liant et les fractions granulaires à travers l’extraction du liant et l’analyse granulométrique. La deuxième phase a consisté à la formulation et à la fabrication en laboratoire des éprouvettes Marshall d’enrobé à froid compacté. A cet effet, la troisième phase s’est concentrée à la soumission de ces éprouvettes fabriquées aux tests de détermination des propriétés physiques et mécaniques entre autres la stabilité et le fluage. Cette étude de formulation et de fabrication d’enrobé à froid a été réalisée dans un premier temps sur 3 séries d’éprouvettes de 3 donc un total de 9 éprouvettes, chacune respectant un dosage standard en liant de 8,2% et selon un mode de conservation à savoir avant murissement, à 14 jours d’âge dans un milieu ambiant et à 14 jours d’âge dans un milieu ensoleillé. Dans un second temps, sur 3 séries d’éprouvettes de 6 donc un total de 18 éprouvettes, chacune suivant un dosage allant de 13%, 13,5% à 14% d’émulsion pour des teneurs en pétrole de 0% et 1%. Il ressort après étude que les mélanges dosés à 14% d’émulsion avec 0% de pétrole ont une meilleure stabilité moyenne S = 10,8 KN et un fluage F = 1,17, ce qui correspond au quotient Marshall le plus élevé S/F = 9,3 qui est un indicateur de performance signifiant que l’enrobé est plus stable et plus apte à résister aux déformations permanentes dues au trafic routier. Mots-clés: BBF, granulat, fines, émulsion de bitume, stabilité, fluage Revue Internationale de la Recherche Scientifique (Revue-IRS) - ISSN : 2958-8413 http://www.revue-irs.com 6719 Study on the formulation of a cold bituminous concrete intended for road surfacing works in tropical environments Abstract This study aims to examine the formulation related to the physical and mechanical characteristics of cold bituminous concrete (CBC) compacted in a tropical environment. CBC is a material primarily composed of aggregates (gravel and sand), fines (mineral fillers), and a hydrocarbon binder, usually a bitumen emulsion that works at ambient temperature to coat the aggregates. In this respect, CBC remains a conventional construction material in road works, except that it is not often used in tropical countries like Togo because it has faced much hesitation regarding its implementation from contractors in the road sector, mainly due to conditions of its application being unsuitable for our hot climate. However, its production cost is estimated to be lower than that of hot mix asphalt in terms of expenses for materials, equipment, and labor, which prompted us to experiment with this road construction material through the development of a study on cold bituminous concrete in the laboratory. The work was carried out in three phases: the first phase involved in-situ sampling of cylindrical samples by coring on a road surfaced with cold-applied asphalt in order to determine the binder content and the aggregate fractions through binder extraction and particle size analysis. The second phase consisted of the formulation and laboratory fabrication of Marshall specimens of compacted cold asphalt. To this end, the third phase focused on subjecting these manufactured specimens to tests to determine their physical and mechanical properties, including, among others, stability and creep. This study on the formulation and production of cold mix asphalt was initially carried out on 3 series of 3 specimens, totaling 9 specimens, each respecting a standard binder dosage of 8.2% and according to a storage method, namely before curing, at 14 days of age in an ambient environment, and at 14 days of age in a sunny environment. Subsequently, the study was conducted on 3 series of 6 specimens, totaling 18 specimens, each following a dosage ranging from 13%, 13.5%, and 14% emulsion for petroleum contents of 0% and 1%. It emerges after study that mixtures dosed with 14% emulsion with 0% petroleum have better average stability S = 10.8 KN and a flow F = 1.17, which corresponds to a higher Marshall quotient S/F = 9.3, indicating performance and meaning that the asphalt is more stable and better able to resist permanent deformations caused by road traffic. Keywords: CBC, granules, fines, bitumen emulsion, stability, rutting Digital Object Identifier (DOI): https://doi.org/10.5281/zenodo.17687932 1. Introduction Un béton bitumineux à froid (BBF) est un mélange de granulats (pierres, sables) et bitume, fabriqué et appliqué à température ambiante entre 10° et 40°, sans nécessiter de chauffage [1]. En effet, les constituants du BBF à savoir le bitume est un liant hydrocarboné qui est mélangé aux granulats sous forme d’émulsion (un mélange de bitume et d’eau) et ces granulats utilisés sont de différentes tailles, allant de très fins (sables) à plus grossiers (graviers) [2]. L’enrobé à froid est souvent utilisé pour les réparations de nids-de-poule et de trottoirs. Il convient également à réaliser les travaux de maintenance notamment les travaux d’entretien après les périodes de gel qui peuvent endommager les revêtements et l’aménagement de petites surfaces telles que les allées carrossables. Contrairement aux enrobés à chaud, le BBF ne nécessite pas de chauffage des granulats ni de bitume, ce qui facilite sa mise en œuvre et permet de l’utiliser dans des conditions plus froides. A cet effet, sa formulation peut varier en fonction de son utilisation et des performances souhaitées, notamment en termes de compacité, de résistance à l’eau et de durabilité, selon des études de formulation [3]. Par conséquent, notre présente étude sur le béton bitumineux à froid va se faire en trois principales phases dont la première sera consacrée à la détermination de la teneur en liant et la granulométrie des échantillons cylindriques de BBF obtenus par prélèvement à l’aide d’une carotteuse (une machine de forage) sur un chantier routier expérimental via l’application d’un enrobé à froid d’un projet exécuté, la seconde phase va porter sur la formulation et la fabrication des enrobés à froid en laboratoire à l’aide des éprouvettes Marshall tandis que la troisième phase sera concentrée sur la détermination des caractéristiques physico-mécaniques du mélange compacté de l’enrobé à froid [4]. Revue Internationale de la Recherche Scientifique (Revue-IRS) - ISSN : 2958-8413 http://www.revue-irs.com 6720 2. Matériel et méthodes 2-1. Matériel Le matériel à utiliser dans le cadre de notre étude est divers donc spécifique à chaque type d’essai ou test à réaliser. A cet effet, le matériel est listé comme suit : • Pour l’essai de détermination de la teneur en liant, l’opération s’est déroulée en trois (3) phases à savoir : - L’extraction du liant qui a nécessité: une balance, capable de peser la masse d’une prise d’essai avec une exactitude de 0,05 % de cette masse, appareil d’extraction de liant, conforme aux exigences appropriées [5], - La séparation de la matière minérale pour laquelle nous avons fait recours aux bacs pouvant être chauffés sans subir de dommage ni modification de leur masse et utilisées pour sécher le granulat récupéré, dispositif pour séparer le filler de la solution de liant, conformément aux exigences appropriées [5], - Le dosage du liant pour lequel il nécessite l’appareillage de récupération, conforme aux exigences de la méthode choisie [5]. • Pour l’essai d’analyse granulométrique du mélange granulaire des échantillons de carottes de BBF, il a été utilisé : l’appareillage requis selon la norme NF EN 933-1 pour le tamisage par voie sèche et au lavage est utilisé, les tamis ayant des ouvertures de dimension inférieure ou égale à 2,8 mm sont conformes à l’ISO 33101, les tamis ayant des ouvertures de dimension supérieure ou égale à 4 mm sont conformes à l’ISO 3310-2 [6, 7]. • Pour la formulation, la fabrication et l’essai Marshall de détermination des caractéristiques physiques et mécaniques du mélange compacté nous avons procédé comme suit : - La confection des éprouvettes Marshall par compactage par impact selon la norme NF EN 12697-30 ; Le compacteur à impact avec enclume métallique est une machine automatique muni des composants, plateau d’acier, de 15 mm d’épaisseur et d’environ 600 mm × 610 mm, placé horizontalement sur un socle solide, trois pieds de même rigidité dans la direction de la compression et dans celle du cisaillement, équipés de blocs en caoutchouc adaptés à la masse du support de compactage, support de compactage réalisé en fonte et dont la masse est d’au moins 100 kg, système de fixation pour maintenir le moule de compactage, dame de compactage, constituée d’une tige de guidage cylindrique, d’une masse coulissante, pesant (4 550 ± 20) g, et d’un pied, pesant (3 960 ± 20) g, mécanisme de levage par chaîne pour la masse coulissante, conçue de sorte que la hauteur de chute libre soit de (460 ± 3) mm, système pour compter les coups et les enregistrer (Il convient de compter le nombre de coups cumulés), transformateur différentiel à variable linéaire (optionnel) [8]. - La détermination du pourcentage de vide avant murissement et la détermination du pourcentage de vide selon la norme N F EN 12697-6 à 14 jours d’âge ont nécessité une balance, avec une capacité convenable pour la pesée de l’éprouvette dans l’air et dans l’eau (par exemple à l’aide d’un panier métallique dont le déplacement d’eau et la masse sont pris en compte par tarage), ayant une exactitude d’au moins ±0,1 g ; un bain-marie maintenu à une température uniforme à ± 1,0 °C près aux alentours des éprouvettes ; une grille doit être prévue pour permettre la circulation de l’eau autour de l’éprouvette. Le bain doit avoir une capacité trois fois plus importante que celle du volume de l’éprouvette ; thermomètre ; peau de chamois, humide pour sécher et essuyer l’éprouvette, la peau de chamois doit être suffisamment humide pour, lors de l’essuyage, faire disparaître l’eau se trouvant à la surface de l’éprouvette sans absorber l’eau des vides internes [9]. - La détermination du fluage et de la stabilité selon la norme NF EN 12697-34 avant murissement et à 14 jours d’âge nécessite : une machine d'essai de compression, de classe 2 ou mieux selon la norme EN ISO 7500-1, ayant une capacité minimale recommandée de 28 kN et capable d'appliquer des charges sur les éprouvettes à une vitesse constante de déformation de (50±2) mm/min, après une période transitoire de moins de 20 % du temps de charge. La vitesse de déformation est à maintenir pendant toute la durée d'application de la charge ; un dispositif de mesurage du fluage capable de déterminer une déformation avec une exactitude de ± 0,1 mm ; un éditeur graphique : dispositif pour évaluer la courbe de force en fonction du fluage, par exemple une table traçante, un enregistreur ou un logiciel informatique ; une tête d'essai : des mâchoires d'écrasement supérieures et inférieures avec les dimensions données dans l'Annexe B de la norme; un bain d'eau, ayant une profondeur d'au moins 150 mm et capable de maintenir l'eau thermostatiquement à une température de (60 ± 1) °C. Le bain doit disposer d'un double-fond ou d'une étagère perforée permettant de suspendre les éprouvettes à au moins 25 mm au-dessus du fond du bain et de laisser une hauteur d'eau d'au moins 25 mm au-dessus des éprouvettes. La dimension du bain doit permettre de placer les éprouvettes faces en bas et sans contact entre elles. Il doit être équipé également d'un dispositif assurant une circulation d'eau continue ; thermomètre, capable de mesurer 60 °C avec une exactitude de 0,5 °C; étuve, capable de maintenir une température de (110 ± 5) °C [10]. Revue Internationale de la Recherche Scientifique (Revue-IRS) - ISSN : 2958-8413 http://www.revue-irs.com 6721 2.2. Méthodes 2.2.1. Extraction du liant et de la matière minérale conformément à la norme NF EN 12697-1 L’essai d’extraction du liant consiste à dissoudre du bitume à l’aide d’un solvant à froid pour récupérer tout le bitume sinon la majeure partie du bitume contenu dans les échantillons de BBF car dans des cas limités, il peut être difficile de dissoudre toutes les traces de liant adhérant au granulat. Pour ce faire, des échantillons cylindriques (figure 1) sont prélevés par carottage in-situ à l’aide d’une carotteuse sur une route nouvellement revêtue d’enrobé bitumineux coulé à froid afin de vérifier les caractéristiques physiques relatives à la densité apparente via des pesées hydrostatiques du BBF, l’extraction du liant et des matières minérales contenues dans les carottes. Il est alors nécessaire de rappeler que la route sur laquelle ont été prélevées ces carottes de BBF a été exécutée dans les conditions normatives de chantier routier et convenablement compactée in-situ conformément aux techniques et méthodes relatives aux spécifications et dispositions techniques nécessaires de mise en œuvre d’un enrobé à froid [5, 11]. Figure 1 : Echantillons cylindriques 1 et 2 obtenus par carottage sur une chaussée en BBF A cet effet, l’essai pour déterminer la teneur en liant hydrocarboné de la prise d’essai de matériaux enrobés de l’émulsion s’est déroulé suivant la méthode à la centrifugeuse en quelques opérations de base à savoir: l’extraction du liant par dissolution dans un solvant froid qui est un composé chimique appelé perchloroéthylène ou le tétrachloroéthylène conforme aux exigences, la séparation de la matière minérale et de la solution de liant, la détermination de la quantité de liant par récupération du liant et le calcul de la teneur en liant soluble déterminé par différence au moyen de la formule normative suivante: S = 100×[𝑀−(𝑀1+𝑀𝑊) 𝑀−𝑀𝑊 D’où : S : est la teneur en liant soluble, exprimée en pourcentage (%) ; M : est la masse de prise d’essai non séchée, exprimée en grammes (g) ; M1 : est la masse de matière minérale récupérée, exprimée en grammes (g) ; MW : est la masse d’eau de la prise d’essai non séchée, exprimée en grammes (g). Le tableau 1, présente les valeurs de la teneur extérieure et intérieure en liant hydrocarboné de 2 échantillons de BBF après l’extraction de liant et de matières minérales avec une valeur moyenne de teneur en liant intérieur égale à 8,2 %. a-Échantillon cylindrique n°1 de BBF (carotte) : H= 11 cm D= 10 cm b-Échantillon cylindrique n°2 de BBF (carotte) : H= 7 cm D= 10 cm Revue Internationale de la Recherche Scientifique (Revue-IRS) - ISSN : 2958-8413 http://www.revue-irs.com 6722 Tableau 1 : Présentation des valeurs extérieures et intérieures en liant Par la suite, il est nécessaire de transférer le granulat récupéré lavé dans un bac. Faire sécher par évaporation du solvant, le granulat et le dispositif d’extraction de liant. Transférer dans le bac, avec le reste des granulats récupérés, la totalité des éléments fins présents sur le dispositif d’extraction du liant, et s’assurer qu’il ne reste aucun élément minéral sur le dispositif d’extraction. Peser et noter la masse du granulat présent dans le bac. Le cas échéant, procéder à l’analyse granulométrique du granulat récupéré conformément aux exigences de l’EN 933-1, en tenant compte, si nécessaire, de la totalité du filler recueilli sur le papier-filtre. 2.1.1. Analyse granulométrique du mélange granulaire selon les normes NF EN 12697-2 et EN 933-1 Cet essai consiste à déterminer la granularité du mélange bitumineux par tamisage et pesée selon la norme NF EN 12697-2 des mélanges bitumineux. Une analyse granulométrique des granulats est réalisée en deux (2) prises d’essais de deux échantillons cylindriques (prise d’essai n°1 et prise d’essai n°2) après l’extraction du liant et des matières minérales (gravillons, sables et fillers) pesant respectivement 489g et 565g (tableau 2). L’essai est effectué sur les granulats récupérés après réalisation du précédent essai d’extraction du liant conformément à la norme EN 933-1 [6, 7]. Au vu des résultats de l’analyse granulométrique, il faut noter que le granulat est dit d/D car d et D sont respectivement la plus petite et la plus grande dimension de ces grains mais étant donné que dans notre cas spécifique d = 0,063𝑚𝑚 < 0,5 mm et D = 10mm => le mélange granulaire du BBF est dit de classe granulaire 0/10. La courbe granulométrique d’essai n°1 en rouge et celle n°2 en vert (figure 2) sont visiblement confondues et s’inscrivent dans le fuseau de la norme NF EN 10108-1, ce qui signifie que la classe granulaire utilisée pour la fabrication de l’enrobé bitumineux à froid a respecté les exigences normatives sur ce chantier [2, 12, 13]. Le tableau 2 et la figure 2 présentent respectivement les données de l’analyse granulométrique et la courbe granulométrique du mélange du BBF. Revue Internationale de la Recherche Scientifique (Revue-IRS) - ISSN : 2958-8413 http://www.revue-irs.com 6723 Tableau 2 : Tableau d’analyse granulométrique Figure 2 : Courbe granulométrique du mélange du BBF inscrite dans le fuseau de la norme NF EN 10108-1 Revue Internationale de la Recherche Scientifique (Revue-IRS) - ISSN : 2958-8413 http://www.revue-irs.com 6724 2.1.2. Formulation et confection des éprouvettes Marshall selon la norme NF EN 12697-30 Le principe de compactage par impact de l’essai consiste à compacter un échantillon cylindrique d’enrobé bitumineux préalablement fabriqué en laboratoire selon les normes spécifiques avec une masse tombante, pour obtenir une qualité répétitive. Cet enrobé à froid a été formulé et mélangé de bitume de classe 70/100 (matériau visqueux dérivé du pétrole) dosé à 8,2 % utilisé pour l’émulsion (système colloïdal composé de 65% de bitume et 35% d’eau et d’émulsifiants) et des granulats (graviers et sables) de classe 0/10 dosés à 91,8 % à température ambiante. Ces éprouvettes cylindriques d’enrobé à froid fabriquées ont une mesure standard de hauteur H = 72mm et de diamètre D = 100mm (figure 3.a). Le processus de compactage a ensuite commencé sans délai en remplissant le moule du mélange bitumineux à froid et compacter l’éprouvette en moins de 4 min. La rehausse est fixée sur le corps cylindrique du moule et fixée au socle de compactage à l’aide du dispositif de serrage. Une fois que la dame de compactage a été montée, compacter l’éprouvette par l’application du nombre fixé de coups, la masse coulissante tombant d’une hauteur de (460 ± 3) mm en compactant par impact. La masse coulissante n’est pas retenue lorsqu’elle rebondit après impact. Le temps de compactage de l'éprouvette est compris entre 55s et 60s pour un nombre de coups de référence égal à 50. La fréquence de chute du marteau de compactage a été la même quel que soit le nombre de coups. Pour ce faire, il a été fabriquées au total 9 échantillons d’éprouvettes Marshall d’enrobé à froid dont 3 éprouvettes destinées à chaque type de cure et durée de conservation notamment avant murissement (jour du prélèvement), à 14 jours d’âge à la température ambiante et à 14 jours d’âge au soleil [8, 12, 14]. 2.1.3. Essai Marshall selon la norme NF EN 12697-34 L’essai Marshall consiste à appliquer une force sur un échantillon d’enrobé compacté, provoquant une déformation jusqu’à la rupture, et à enregistrer la stabilité (résistance maximale) et le fluage (déformation verticale). Il revient à préciser que l’essai Marshall ne mesure pas directement ≪ le poinçonnement ≫ au sens géotechnique, mais plutôt la résistance à la déformation d’un enrobé bitumineux par poinçonnement diamétral. Après différents modes de conservations définies précédemment, les éprouvettes sont placées dans une presse Marshall et soumis à l’application d’une force de compression diamétrale à une vitesse constante de 50 mm/min (figure 3.b). La stabilité Marshall qui est la force maximale (kN) que l’échantillon peut supporter avant la rupture est enregistrée ainsi que le fluage qui est la déformation verticale de l’échantillon au moment de la rupture (mm) est également mesurée [10]. Figure 3: Eprouvettes de BBF soumises aux méthodes de cure et à l’essai Marshall a-Éprouvettes de BBF soumises aux trois méthodes de cure (conservation) b-Éprouvette de BBF soumise à l’essai Marshall de résistance à la déformation Revue Internationale de la Recherche Scientifique (Revue-IRS) - ISSN : 2958-8413 http://www.revue-irs.com 6725 La stabilité est la résistance maximale à la déformation, en kilo newton (kN), d'une éprouvette moulée d'enrobé. La charge maximale atteinte représente la valeur de stabilité du mélange, seulement si la hauteur de l’éprouvette est égale aux 63,5 mm requis. La stabilité doit être notée comme corrigée lorsque la charge maximale est multipliée par un facteur de correction calculé à partir des équations suivantes qui sont compte tenu du volume de l’échantillon déterminé selon 6.2 : Où : C : est le facteur de correction, h : est la hauteur en millimètres (mm) V : est le volume de l’éprouvette déterminé en 6.1.2, en millilitres (ml) Notons la stabilité S à 0,1 KN près. Note : des corrections hors de la plage de hauteurs comprises entre 60,5 mm et 66,5 mm peuvent conduire à des résultats erronés. Le fluage par contre est la déformation d’une éprouvette moulée, en millimètres (mm), à la charge maximale moins la déformation nominale obtenue par extrapolation de la tangente du graphe effort-déformation, ramenée à une charge nulle, (entre A et M', voir Annexe A) Nous avons noté les valeurs de fluage obtenues à 0,1 mm près comme le recommande la norme NF EN 1269734. 3. Résultats Les résultats des essais sont considérés comme étant fiables si l’étendue, Vs, des valeurs de stabilité est inférieure à 15 % et si l’étendue des valeurs de fluage, Vf est inférieure à 20 %. Si les résultats d’une ou plusieurs éprouvettes diffèrent par rapport à la valeur moyenne de plus de 15 % pour la stabilité et de 20 % pour le fluage, rejeter la valeur la plus éloignée et retenir la valeur moyenne des autres éprouvettes. Dans le cadre de notre étude sur le BBF, la valeur de stabilité pour chaque éprouvette est de loin inférieure à 15% de la valeur moyenne de stabilité et 20% pour le fluage, par conséquent, les résultats de ces essais Marshall sont fiables donc ne sont plus à reprendre. Les tableaux 4, 5 et 6 présentent les valeurs moyennes de stabilité et de fluage des éprouvettes de BBF respectivement avant murissement à la date du prélèvement, à 14 jours d’âge à la température ambiante et à 14 jours d’âge séché au soleil [12]. Tableau 4 : Présentation des valeurs de stabilité et de fluage avant murissement (jour du prélèvement) C = 5,2𝑒−0,025 8 ℎ ou C = 5,24𝑒−0,003 2𝑉 Revue Internationale de la Recherche Scientifique (Revue-IRS) - ISSN : 2958-8413 http://www.revue-irs.com 6726 Tableau 5 : Présentation des valeurs de stabilité et de fluage à 14 jours d’âge à la température ambiante Tableau 6 : Présentation des valeurs de stabilité et de fluage à 14 jours d’âge au soleil