La première étape, dans l’évaluation de la durée de vie de chaussées anciennes, consiste à bien comprendre et évaluer les différents mécanismes de dégradation des structures de chaussées, pour ensuite proposer des modèles, permettant de décrire ces phénomènes de dégradation et de prévoir leur évolution. L’état de l’art, réalisé dans l’étude de faisabilité du projet DVDC, a permis d’identifier plusieurs modes de dégradation principaux, dont l’étude est jugée prioritaire :

  • les variations de portance, et l’orniérage des matériaux non traités, liés notamment aux conditions hydriques ;
  • l’endommagement des interfaces ;
  • le vieillissement des matériaux bitumineux ;
  • les phénomènes de fatigue et de fissuration ;
  • l’effet des cycles de gel/dégel.

L’étude de ces différents mécanismes de dégradation s’appuiera sur un retour d’expérience, visant à définir et quantifier les principaux modes de dégradation observés, pour les différentes techniques de chaussées, et pour différents types de réseaux (autoroutes, routes nationales et départementales). Celui-ci permettra également de sélectionner des sections de chaussées, présentant différents niveaux de dégradations, dont les données pourront servir de support aux études réalisées dans le projet.
Ce premier thème comportera donc 5 sujets de recherche, dont le contenu est détaillé ci-dessous.

Photo : Cerema

Retour d’expérience sur les mécanismes de dégradation des chaussées

En France, la méthode actuelle de dimensionnement des chaussées routières est appliquée depuis plus de 20 ans, et le retour d’expérience réalisé dans DVDC visera à le confronter à la méthode de dimensionnement de référence, avec les modes de dégradations effectivement observés en fonction des sollicitations (trafic, charges, climat) et des types de structure. Dans cette approche française, le dimensionnement est basé sur deux critères principaux : la rupture par fatigue des matériaux liés (bitumineux ou traités aux liants hydrauliques) et la déformation du sol support, associés à des critères comme le collage des couches par exemple et à un risque statistique. Il est important de vérifier si ces critères sont pertinents, et s’il existe d’autres modes de dégradation importants, qui ne sont pas pris en compte correctement aujourd’hui. Le retour d’expérience peut également permettre de réévaluer les coefficients de calage de la méthode de dimensionnement.

Sol support et assainissement (chaussées souples)

Aujourd’hui, la prise en compte des sols supports de chaussées et des graves non traitées (GNT) dans la méthode française de dimensionnement, ou de renforcement est faite en considérant un comportement élastique linéaire de ces matériaux ; de plus, les valeurs de modules d’élasticité utilisées (notamment pour les GNT) ne sont pas déterminées à partir d’essais mécaniques, mais de critères empiriques de classification des matériaux, basés sur des paramètres tels que la granulométrie, l’argilosité des fines, la dureté des granulats. Les critères d’orniérage utilisés pour le dimensionnement sont également très empiriques : ils définissent une valeur limite de déformation verticale, qui est uniquement fonction du niveau de trafic, et ne dépend pas des caractéristiques du matériau. De plus, les modèles utilisés ne prennent pas en compte l’état hydrique. Ils ne permettent donc pas d’évaluer l’influence de variations de teneur en eau sur le comportement mécanique des sols ou des GNT.

L’objectif des études menées dans cette partie est de :

  • proposer (notamment à partir de la bibliographie) des modèles plus réalistes pour la prise en compte du comportement des matériaux non liés dans la modélisation des structures de chaussées ;
  • tester ensuite des méthodes en laboratoire (essais triaxiaux, pour les GNT) et in situ (déflectomètre portable, pour les sols) pour la détermination des paramètres de ces modèles de comportement mécaniques, puis de valider les modèles par comparaison avec des mesures in situ ou des essais en vraie grandeur.

Interfaces

Pour la plupart des types de structures de chaussées, leur durabilité est liée à l’hypothèse d’un bon collage entre leurs différentes couches. En effet, du point de vue fonctionnement mécanique de la chaussée, l’état de l’interface conditionne très fortement la répartition des contraintes et des déformations dans chaque couche, et donc les niveaux maximum de sollicitation dans la structure. Lorsque les différentes couches de matériaux restent parfaitement collées entre elles, la rigidité de la structure est maximale, et les déformations et contraintes de traction les plus élevées (donc les plus préjudiciables) apparaissent à la base de la structure. Si une ou plusieurs interfaces sont décollées, la rigidité de la structure se trouve réduite, et des déformations ou contraintes de traction importantes peuvent se développer à la base des couches décollées, réduisant considérablement leur durée de vie en fatigue. En matière de dimensionnement, les méthodes actuelles ne prévoient que des conditions extrêmes (collée ou glissante) sur toute leur durée de vie (ou une partie).
Le comportement réel des interfaces et leur durabilité jouent donc un rôle essentiel dans la durée de vie d’une chaussée. Au sein du PN, deux approches seront testées pour évaluer le comportement des interfaces in situ : des essais de contrôle non destructif (ECND) et/ou des essais dits destructifs. L’intérêt des ECND est de permettre un nombre de points de mesure élevé, et un suivi dans le temps du collage de la chaussée sans détérioration, mais la quantification de la qualité du collage est plus délicate. L’essai destructif nécessite un carottage sur chaussée, mais peut quantifier le collage, dans la limite de sa pertinence.

Fatigue et vieillissement des matériaux

L’objectif de ce sujet est d’étudier le comportement de matériaux bitumineux anciens, prélevés in situ, afin d’évaluer leur état de vieillissement et d’endommagement. L’objectif est à la fois de proposer des essais innovants permettant de caractériser ces matériaux anciens et des modèles permettant de prédire l’évolution de leurs propriétés mécaniques. Les études porteront à la fois sur la caractérisation des liants, et des enrobés, par des approches classiques et innovantes :

  • analyse du comportement de matériaux bitumineux provenant de chaussées anciennes (liants et enrobés) – Evaluation du comportement mécanique et physico-chimique – Recherche de relation entre les différentes propriétés étudiées et les dégradations observées sur chaussées ;
  • mise au point d’une méthode innovante de caractérisation de l’état de vieillissement des liants, basée sur une relation entre les propriétés rhéologiques et la distribution apparente des masses moléculaires du liant (travail de thèse). Recherche de relations entre indicateurs issus de cette méthode, et dégradations observées sur chaussées ;
  • mise au point de méthodes non destructives pour l’évaluation de l’état d’endommagement des enrobés (évaluation en labo et in situ, par propagation d’ondes ultrasonores et émissions acoustiques) ;
  • développement d’une approche de modélisation de la fatigue des enrobés bitumineux par une approche couplant modèles d’endommagement et de propagation de fissures. Validation sur des essais de fatigue.

Ce sujet est traité dans le cadre du projet ANR moveDVDC.

Dégradations hivernales

Ce sujet a pour objectif d’étudier un mécanisme de dégradation encore mal compris aujourd’hui, et non pris en compte dans les méthodes de dimensionnement, les dégradations hivernales subies par les couches bitumineuses. Elles se caractérisent par la formation rapide de nids de poules, affectant essentiellement les couches de surface. Elles ont été observées en particulier ces dernières années et semblent liées à une combinaison d’infiltrations d’eau, associées avec l’effet des cycles de gel/dégel. Une meilleure compréhension des conditions conduisant à de telles dégradations (caractéristiques des matériaux sensibles à ces phénomènes, conditions climatiques conduisant à leur déclenchement) permettrait de mieux les prévenir. Pour traiter ce sujet, deux axes complémentaires sont proposés :

  • retour d’expérience sur les dégradations hivernales
  • étude de l’endommagement des enrobés bitumineux sous des cycles de gel / dégel