Qu'est-ce que la granulométrie des agrégats dans les matériaux de chaussée ?

Granulométrie des Agrégats dans les Matériaux de Chaussée

Définition et Importance de la Granulométrie des Agrégats

La granulométrie des agrégats désigne la distribution des tailles de particules dans un échantillon d’agrégats utilisé dans la construction de chaussées. Elle quantifie les proportions d’un mélange d’agrégats appartenant à chaque fraction granulométrique, des particules grossières de plus de 25 mm jusqu’à la poussière minérale passant le tamis de 0,075 mm (No 200). La granulométrie est exprimée numériquement par le pourcentage cumulé de matériau passant chaque dimension de tamis standard, rapportée sous forme tabulaire et tracée graphiquement sur une courbe granulométrique.

La granulométrie des agrégats est sans doute la caractéristique d’agrégat la plus influente régissant la performance d’un matériau de chaussée en service. Dans les chaussées en enrobé bitumineux à chaud (HMA), la granulométrie contrôle directement la rigidité, la stabilité, la durabilité, la perméabilité, l’ouvrabilité, la résistance à la fatigue, la résistance au frottement et la sensibilité à l’humidité (Roberts et al., 1996). Chaque propriété de performance majeure d’un mélange bitumineux est modulée par la façon dont les particules d’agrégats s’emboîtent. Une granulométrie trop fine peut produire un mélange qui s’ornière sous le trafic, une granulométrie trop grossière peut se ségréger lors de la mise en place et résister au compactage.

Dans les chaussées en béton de ciment Portland (PCC), la granulométrie exerce une influence similaire sur la durabilité, la porosité, l’ouvrabilité, les besoins en ciment et en eau, la résistance à la compression et le comportement au retrait. Les agrégats à granularité continue dans le PCC réduisent l’espace vide qui doit être rempli avec de la pâte de ciment coûteuse, abaissant les coûts des matériaux tout en améliorant la stabilité dimensionnelle. Les agrégats mal gradués augmentent la demande en eau, ce qui élève le rapport eau-ciment et dégrade à la fois la résistance et la durabilité.

Pour les couches de fondation et de base dans les structures de chaussée, la granulométrie détermine les caractéristiques de drainage, la sensibilité au gel et la capacité portante. Même de faibles pourcentages de matériau passant le tamis de 0,075 mm peuvent réduire considérablement la perméabilité, transformant une couche de base librement drainante en une couche retenant l’eau, sujette aux dommages causés par le gel.

En raison de son importance fondamentale, la granulométrie est un paramètre de contrôle principal dans toutes les grandes méthodes de formulation, notamment Superpave, Marshall, Hveem et la formulation du béton ACI. Les agences de transport du monde entier, y compris la Federal Highway Administration (FHWA), la Federal Aviation Administration (FAA) et l’Organisation de l’Aviation Civile Internationale (OACI), spécifient des plages granulométriques admissibles pour pratiquement chaque couche de chaussée.

Procédure d’Analyse Granulométrique au Tamis (ASTM C136 / AASHTO T 27)

La méthode normalisée pour déterminer la granulométrie des agrégats est l’essai d’analyse granulométrique au tamis, codifié sous ASTM C136, Standard Test Method for Sieve Analysis of Fine and Coarse Aggregates, et son équivalent AASHTO, AASHTO T 27. Cet essai fournit les données fondamentales à partir desquelles tous les paramètres granulométriques sont dérivés.

Procédure d’Essai

La procédure commence par l’obtention d’un échantillon d’agrégats représentatif d’une masse suffisante, séché à masse constante à 110 ± 5 °C. La masse d’échantillon requise dépend de la dimension nominale maximale des agrégats (NMAS). Pour les granulats fins passant le tamis de 4,75 mm (No 4), un minimum de 300 g est requis. Pour les granulats grossiers, la masse minimale de l’échantillon augmente avec la taille des particules : 25 kg pour des agrégats avec une NMAS de 37,5 mm, 40 kg pour une NMAS de 50 mm, et 60 kg pour une NMAS de 63 mm. Ces exigences de masse garantissent que l’échantillon est statistiquement représentatif de la source d’agrégats.

Une colonne emboîtée de tamis standard est assemblée par ordre décroissant de taille d’ouverture, du plus grossier en haut au plus fin en bas, avec un fond de tamis à la base pour recueillir le matériau passant le tamis le plus fin. L’échantillon séché est placé sur le tamis supérieur, et la pile est secouée mécaniquement pendant une durée suffisante pour assurer une séparation complète, généralement 10 à 15 minutes pour un tamiseur mécanique fonctionnant à amplitude standard.

Après le tamisage, la masse du matériau retenu sur chaque tamis est pesée au 0,1 g près pour les granulats fins et au 0,5 g près pour les granulats grossiers. La masse retenue sur chaque tamis est divisée par la masse totale de l’échantillon sec pour calculer le pourcentage retenu sur chaque tamis. Le pourcentage cumulé retenu est calculé en faisant la somme des pourcentages retenus sur le tamis donné et tous les tamis plus grossiers au-dessus. Le pourcentage passant (également appelé pourcentage plus fin) est calculé comme 100 moins le pourcentage cumulé retenu.

Calculs et Rapport

Les calculs clés sont :

• Pourcentage retenu sur le tamis i = (Masse retenue sur le tamis i / Masse sèche totale) × 100
• Pourcentage cumulé retenu sur le tamis i = Somme des pourcentages retenus sur le tamis i et tous les tamis plus grands
• Pourcentage passant le tamis i = 100 – Pourcentage cumulé retenu sur le tamis i

Les résultats sont rapportés sous forme de tableau listant chaque dimension de tamis, la masse retenue, le pourcentage retenu, le pourcentage cumulé retenu et le pourcentage passant. Le rapport d’essai doit également inclure la masse totale de l’échantillon, la NMAS et toute observation concernant les caractéristiques des agrégats (par exemple, présence de mottes d’argile, poussière excessive ou dégradation pendant l’essai).

Précision et Biais

L’ASTM C136 fournit des déclarations de précision basées sur des études interlaboratoires. Pour un écart-type de répétabilité (même opérateur), les résultats du même laboratoire ne doivent pas différer de plus de la limite d2s, généralement de 0,16 % à 1,8 % selon la dimension du tamis et le type de matériau. Pour la reproductibilité (multilaboratoire), la plage acceptable est plus large. Ces limites de précision soulignent l’importance d’une adhésion stricte à la procédure, y compris un échantillonnage approprié, un pesage précis et des tamis calibrés.

Dimensions Standard des Tamis

L’analyse granulométrique repose sur une série normalisée d’ouvertures de tamis établie par ASTM E11 et ISO 3310-1. Ces normes définissent les dimensions nominales des ouvertures, les diamètres des fils et les tolérances pour les tamis en toile métallique tissée. La série de tamis suit la progression géométrique R 20/3 ou R 40/3, où chaque ouverture de tamis successive est environ deux fois plus petite que celle située deux tamis au-dessus.

Tamis pour Granulats Grossiers

Tamis pour Granulats Fins

Le tamis de 4,75 mm (No 4) marque la frontière conventionnelle entre les granulats grossiers (retenus sur le No 4) et les granulats fins (passant le No 4). Cependant, l’Asphalt Institute définit cette frontière au tamis No 8 (2,36 mm), tandis que l’AASHTO M 147 utilise le tamis No 10 (2,00 mm). Le tamis de 0,075 mm (No 200) est le tamis fin le plus critique en ingénierie des chaussées car le matériau passant cette taille, appelé P200 ou poussière minérale, influence fortement la demande en liant, la perméabilité et la sensibilité à l’humidité.

Courbes Granulométriques, Le Graphique à Puissance 0,45

La représentation graphique des données granulométriques est essentielle pour la formulation et le contrôle qualité. Le graphique standard de l’industrie est la courbe granulométrique à puissance 0,45 de la FHWA, introduite au début des années 1960 et universellement adoptée pour la formulation et l’évaluation des HMA.

Fondement Théorique, Équation de Fuller et Thompson

En 1907, Fuller et Thompson ont publié une équation décrivant la granulométrie qui produit la densité maximale de particules :

P = (d / D)^n × 100

Où :

• P = pourcentage cumulé passant la dimension de tamis d
• d = dimension d’ouverture du tamis considéré
• D = dimension maximale des agrégats
• n = exposant contrôlant la forme de la courbe (environ 0,5 pour la densité maximale selon Fuller et Thompson)

Cette équation, connue sous le nom de courbe de Fuller, décrit l’arrangement idéal d’empilement où des particules successivement plus petites remplissent les vides entre les particules plus grandes, produisant un espace vide minimal et une densité maximale. Fuller et Thompson ont déterminé qu’un exposant n d’environ 0,5 produit l’empilement le plus dense pour les granulats concassés typiques.

La Transformation à Puissance 0,45

La FHWA a adopté le concept de Fuller-Thompson mais a modifié la méthode de tracé afin que la ligne de densité maximale apparaisse comme une ligne diagonale droite sur le graphique granulométrique. Ceci est réalisé en traçant la dimension du tamis élevée à la puissance 0,45 sur l’axe des x (horizontal) et le pourcentage cumulé passant sur l’axe des y (vertical). Lorsque l’équation de Fuller et Thompson avec n = 0,45 est tracée sur ces axes, elle produit une ligne droite allant de l’origine (0 % passant à taille zéro) au point représentant 100 % passant à la dimension maximale des agrégats.

L’importance de cette transformation ne peut être surestimée : elle permet aux ingénieurs d’évaluer visuellement et instantanément où se situe une granulométrie par rapport à la densité maximale. Une granulométrie qui suit de près la ligne droite est continue (granularité dense) (densité quasi-maximale). Une granulométrie qui s’arc-boute au-dessus de la ligne dans les tailles fines est fine (excès de matériau fin). Une granulométrie qui se situe en dessous de la ligne est grossière (excès de matériau grossier).

Construction de la Courbe à Puissance 0,45

Pour construire le graphique pour une dimension maximale d’agrégats donnée (par exemple, 19,0 mm), les coordonnées de l’axe des x sont calculées comme ouverture du tamis^0,45. Pour une dimension maximale de 19,0 mm, la ligne de densité maximale à puissance 0,45 trace une ligne droite de (0, 0) à l’origine jusqu’à (19,0^0,45, 100) en haut à droite. Les points intermédiaires sont calculés à l’aide de l’équation de Fuller. Par exemple, au tamis de 4,75 mm (No 4) : d/D = 4,75/19,0 = 0,25. P = 0,25^0,45 × 100 = 53,4 %. Cela signifie qu’environ 53 % des agrégats devraient passer le tamis No 4 pour une granulométrie de densité maximale avec une dimension maximale de 19,0 mm.

Différentes dimensions maximales d’agrégats produisent différentes lignes de densité maximale sur le même graphique, chacune commençant à partir d’un point différent sur l’axe des x. Le graphique peut accommoder plusieurs lignes pour différents mélanges évalués simultanément.

Interprétation du Graphique

La position d’une courbe granulométrique par rapport à la ligne de densité maximale révèle d’importantes caractéristiques de performance :

• Sur la ligne, Densité maximale, mais potentiellement un VMA insuffisant pour une teneur en liant adéquate.
• Au-dessus de la ligne (côté fin), Plus de particules fines, demande en liant plus élevée, susceptibilité accrue à l’orniérage si trop fin.
• En dessous de la ligne (côté grossier), Plus de particules grossières, meilleur contact pierre-sur-pierre, demande en liant plus faible, ouvrabilité réduite si trop grossier.
• Forme bombée dans la plage moyenne, Granularité discontinue, tailles intermédiaires manquantes, peut se ségréger.

La zone restreinte était historiquement incluse sur les graphiques granulométriques Superpave comme une région à travers laquelle les granulométries étaient déconseillées de passer. Cette zone était située juste au-dessus de la ligne de densité maximale dans la plage des granulats fins (0,3 mm à 2,36 mm). On croyait à l’origine que les mélanges passant par cette zone auraient un VMA inacceptablement bas. Cependant, le rapport NCHRP 464 (Kandhal et Cooley, 2001) a définitivement conclu que les granulométries violant la zone restreinte se comportaient de manière similaire ou meilleure que celles en dehors. La zone restreinte a donc été éliminée des normes AASHTO M 323 et AASHTO R 35 en 2002, bien qu’elle puisse encore apparaître dans des documents historiques.

Caractéristiques de la Granularité Continue (Dense)

Un agrégat à granularité continue, également appelé granularité dense, a une distribution de tailles de particules qui suit de près la courbe de densité maximale à puissance 0,45 de la FHWA. C’est le type de granulométrie le plus couramment utilisé dans la construction de chaussées aux États-Unis et dans le monde.

Empilement des Particules et Densité

Dans un agrégat à granularité continue, les particules sont réparties sur une large gamme de tailles, de sorte que les particules plus petites s’emboîtent dans les vides créés par les particules plus grandes. Cet arrangement d’empilement de particules atteint une densité élevée avec un espace vide minimal. L’idéal mathématique a été décrit par Fuller et Thompson, mais les mélanges pratiques à granularité continue s’écartent intentionnellement légèrement de la courbe de densité maximale pour fournir des vides dans le granulat minéral (VMA) adéquats, généralement 1 % à 3 % au-dessus de la ligne de densité maximale pour le HMA.

La relation entre la granulométrie et la densité est régie par le concept d’efficacité d’empilement. Les agrégats naturels avec des distributions granulométriques continues produisent des densités d’empilement d’environ 90 % à 95 % du maximum théorique, laissant 5 % à 10 % de vides d’air. Ces vides d’air sont essentiels dans le HMA pour accommoder l’épaisseur du film de liant bitumineux autour de chaque particule et pour permettre un compactage supplémentaire sous le trafic sans ressuage (remontée de liant en excès à la surface).

Caractéristiques de Performance

Les agrégats à granularité continue produisent des mélanges avec plusieurs propriétés avantageuses :

• Stabilité élevée, Le contact pierre-sur-pierre de la fraction grossière fournit un verrouillage mécanique qui résiste à la déformation permanente sous charge. L’empilement dense des particules distribue efficacement les contraintes à travers le squelette granulométrique.
• Faible perméabilité, La distribution granulométrique continue remplit les espaces vides, créant une couche pratiquement imperméable qui protège la structure de chaussée sous-jacente de l’infiltration d’eau. Les perméabilités typiques pour un HMA à granularité dense se situent dans la plage de 10⁻⁴ à 10⁻⁶ cm/s.
• Bonne ouvrabilité, La proportion équilibrée de particules grossières et fines permet la mise en place et le compactage du mélange avec des équipements conventionnels. Cela contraste avec les mélanges à granularité discontinue ou ouverte qui peuvent être plus difficiles à manipuler.
• Excellente résistance à la fatigue, La distribution uniforme des contraintes dans les mélanges à granularité continue réduit les concentrations de contraintes localisées qui initient la fissuration. Le HMA à granularité dense présente généralement une durée de vie en fatigue supérieure à celle des alternatives à granularité ouverte.

Applications Typiques

Les agrégats à granularité dense sont utilisés dans les applications de chaussée suivantes :

• Couches de roulement en HMA, La grande majorité des surfaces de chaussées bitumineuses aux États-Unis sont à granularité dense. Les formulations Superpave sont presque exclusivement à granularité dense.
• Couches de liaison et de base en HMA, Les couches structurelles bénéficient de la stabilité élevée et de la distribution des charges des matériaux à granularité continue.
• Chaussées en PCC, Les agrégats à granularité continue réduisent le volume de pâte requis, abaissant les coûts et réduisant le retrait. La plupart des chaussées en béton utilisent des granulats grossiers et fins à granularité dense.
• Couches de fondation et de base, Les granulats concassés à granularité dense offrent une excellente capacité portante, bien que des préoccupations de perméabilité puissent nécessiter des couches de drainage à granularité ouverte en dessous.

Contrôle Granulométrique pour les Mélanges à Granularité Dense

Les mélanges Superpave à granularité dense sont définis par des points de contrôle à quatre dimensions de tamis clés : la dimension maximale des agrégats, la dimension nominale maximale des agrégats, le tamis de 2,36 mm (No 8) et le tamis de 0,075 mm (No 200). Les points de contrôle pour un mélange Superpave typique avec NMAS de 12,5 mm sont :

Ces points de contrôle garantissent que la granulométrie reste dans une zone qui équilibre densité, VMA, ouvrabilité et durabilité.

Caractéristiques de la Granularité Discontinue

Une distribution granulométrique discontinue est celle dans laquelle une ou plusieurs tailles de particules intermédiaires sont présentes en très faibles pourcentages ou totalement absentes. Sur la courbe granulométrique à puissance 0,45, une courbe discontinue présente un segment horizontal et plat dans la plage des tailles moyennes, indiquant que peu de particules existent à ces dimensions de tamis.

Formation et Mécanisme

La granularité discontinue peut se produire naturellement dans certains gisements d’agrégats ou peut être créée délibérément en mélangeant des agrégats de différentes sources pour omettre des fractions granulométriques spécifiques. L’absence de particules intermédiaires signifie que le squelette d’agrégats grossiers est rempli principalement par des particules fines, avec une discontinuité dans la progression granulométrique du grossier au fin.

Dans l’enrobé bitumineux SMA (stone matrix asphalt), la granularité discontinue est intentionnellement conçue pour maximiser le contact pierre-sur-pierre dans la fraction grossière. Le SMA contient généralement 70 % à 80 % de granulats grossiers (retenus sur le tamis de 4,75 mm) avec une proportion élevée d’une seule taille grossière, par exemple 9,5 mm à 4,75 mm. Les vides entre les particules grossières sont remplis avec un mortier riche composé de granulats fins, de filler minéral, de liant bitumineux et d’additifs stabilisants comme les fibres de cellulose ou minérales.

Caractéristiques de Performance

Les agrégats à granularité discontinue produisent des mélanges avec des propriétés uniques :

• Résistance élevée à l’orniérage, Le contact pierre-sur-pierre dans le SMA à granularité discontinue offre une résistance exceptionnelle à la déformation permanente. Les chaussées en SMA peuvent supporter un trafic lourd et lent sans s’orniérer.
• Tendance à la ségrégation, Lors de la mise en place, les mélanges à granularité discontinue sont plus sujets à la ségrégation que les mélanges à granularité continue car l’absence de particules intermédiaires réduit les forces cohésives maintenant le mélange ensemble. Une manipulation soigneuse et un contrôle qualité sont essentiels.
• Teneur élevée en liant, Le SMA utilise généralement 5,5 % à 7,0 % de liant bitumineux contre 4,5 % à 6,0 % pour le HMA à granularité dense. Le mortier riche assure durabilité et résistance à la fatigue.
• Texture de surface, Les surfaces à granularité discontinue ont tendance à avoir une texture plus grossière et plus ouverte qui offre une excellente macrotexture pour la résistance au dérapage et la réduction du bruit.

Applications

Les mélanges à granularité discontinue sont principalement utilisés dans :

• Couches de roulement en stone matrix asphalt (SMA) sur les routes à fort trafic et les pistes d’aéroport nécessitant une résistance exceptionnelle à l’orniérage.
• Certains mélanges PCC, Le béton à granularité discontinue peut réduire les besoins en sable tout en maintenant l’ouvrabilité, bien que cette pratique soit moins courante aux États-Unis qu’en Europe.
• Traitements de surface spéciaux, Là où les exigences de texture de surface nécessitent une distribution granulométrique spécifique.

Caractéristiques de la Granularité Ouverte

Une distribution granulométrique ouverte ne contient qu’un faible pourcentage de particules d’agrégats fins, créant une structure poreuse avec des vides interconnectés. Sur la courbe à puissance 0,45, la courbe granulométrique est raide dans la plage des tailles moyennes (indiquant une gamme étroite de particules grossières) et plate près de zéro dans la plage des fines (indiquant peu de particules passant les tamis plus petits).

Structure et Perméabilité

Les agrégats à granularité ouverte sont conçus pour maximiser la perméabilité en limitant la quantité de matériau passant les tamis de 2,36 mm (No 8) ou 4,75 mm (No 4). Sans particules fines pour remplir les vides entre les particules grossières, la teneur en vides d’air varie généralement de 15 % à 25 %, contre 3 % à 6 % pour le HMA à granularité dense après compactage. Cette teneur élevée en vides crée des canaux de drainage qui permettent à l’eau de circuler librement à travers la structure de la chaussée.

La perméabilité des mélanges à granularité ouverte est de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle des mélanges à granularité dense. Les coefficients de perméabilité typiques pour les couches de roulement à granularité ouverte (OGFC) varient de 0,1 à 1,0 cm/s, contre 10⁻⁴ cm/s ou moins pour le HMA à granularité dense. Ce drainage rapide élimine le risque d’aquaplanage et améliore la visibilité par temps humide en réduisant les projections d’eau et les embruns.

Caractéristiques de Performance

Les agrégats à granularité ouverte offrent des avantages et des limites distincts :

• Excellent drainage, L’eau s’écoule latéralement à travers la structure de la chaussée et sort en bordure de chaussée, empêchant l’accumulation d’eau de surface et l’aquaplanage.
• Réduction du bruit, La structure poreuse absorbe le bruit pneu-chaussée, réduisant les niveaux de bruit de circulation de 3 à 8 dB par rapport aux surfaces à granularité dense.
• Résistance structurelle réduite, La teneur élevée en vides réduit la contribution structurelle de la couche à granularité ouverte. Les mélanges à granularité ouverte sont généralement mis en place en fines couches de roulement (25 à 50 mm) sur une base structurelle dense.
• Oxydation et vieillissement, Les vides interconnectés exposent le liant bitumineux à l’air et aux rayons UV, accélérant le durcissement par oxydation. Les mélanges à granularité ouverte ont généralement des durées de vie plus courtes (8 à 12 ans) que les mélanges à granularité dense (15 à 20 ans).
• Potentiel de colmatage, Avec le temps, les vides peuvent se boucher avec des débris, réduisant la fonction de drainage. Un nettoyage ou un remplacement périodique peut être nécessaire.

Types de Mélanges à Granularité Ouverte

Deux types courants de matériaux de chaussée à granularité ouverte sont :

• Couche de roulement à granularité ouverte (OGFC), Une couche de roulement en HMA avec 15 % à 20 % de vides d’air, conçue pour le drainage de surface et la résistance au dérapage. L’OGFC a généralement une épaisseur de 19 à 25 mm.
• Enrobé Poreux, Un système de chaussée perméable en enrobé bitumineux sur toute l’épaisseur qui permet aux eaux pluviales de s’infiltrer à travers la chaussée jusqu’au sol support. Les systèmes d’enrobé poreux sont utilisés dans les parkings, les routes à faible trafic et les applications de gestion des eaux pluviales.
• Béton Perméable, Une chaussée en béton avec une teneur en vides intentionnellement élevée (15 % à 35 %) qui permet à l’eau de passer directement à travers la surface de la chaussée. Utilisé pour les parkings, les trottoirs et la gestion des eaux pluviales.

Dimension Nominale Maximale des Agrégats (NMAS)

La dimension nominale maximale des agrégats (NMAS) est un paramètre critique dans la formulation et la spécification des mélanges. Elle définit la plus grande taille de particule qui apparaît en quantité significative dans le mélange d’agrégats.

Définition Superpave

La méthode de formulation Superpave définit la NMAS comme une dimension de tamis supérieure au premier tamis retenant plus de 10 % du matériau en poids. Par exemple, si une granulométrie montre 8 % retenu sur le tamis de 19,0 mm et 16 % retenu sur le tamis de 12,5 mm, la NMAS est de 19,0 mm (un tamis plus grand que le tamis de 12,5 mm, qui est le premier à retenir plus de 10 %).

La dimension maximale des agrégats est distincte de la NMAS, Superpave la définit comme une dimension de tamis supérieure à la NMAS. Dans le même exemple, la dimension maximale des agrégats serait de 25,0 mm. Le tamis de dimension maximale doit permettre 100 % de passant.

Dimensions Standard Superpave

Superpave spécifie cinq valeurs standard de NMAS :

Signification Technique

La NMAS affecte plusieurs aspects de la performance des chaussées et de la construction :

• Épaisseur de la couche, L’épaisseur de la couche compactée doit être d’au moins 3 à 4 fois la NMAS pour garantir un compactage adéquat sans rupture de particules. Pour une NMAS de 19,0 mm, l’épaisseur minimale de la couche est d’environ 75 mm.
• Ouvrabilité, Les valeurs de NMAS plus grandes produisent des mélanges plus difficiles à manipuler et à compacter, particulièrement autour des obstacles et dans les couches minces.
• Texture de surface, La NMAS influence directement la macrotexture de surface. Les valeurs de NMAS plus petites produisent des surfaces plus lisses avec un espacement plus serré des agrégats, tandis que les valeurs de NMAS plus grandes créent des surfaces plus rugueuses avec une meilleure macrotexture pour la résistance au dérapage.
• Potentiel de ségrégation, Les mélanges avec une NMAS plus grande sont plus sujets à la ségrégation pendant la manipulation, le transport et la mise en place.
• Capacité structurelle, Les mélanges avec une NMAS plus grande ont généralement un module plus élevé et une meilleure résistance à la déformation permanente en raison du squelette granulométrique plus grossier.

Granulométrie et Performance des Chaussées

La relation entre la granulométrie des agrégats et la performance des chaussées est directe et quantifiable. Chaque type de granulométrie produit des modes de défaillance distincts et des caractéristiques de performance qui doivent être compris lors de la formulation du mélange.

Orniérage (Déformation Permanente)

L’orniérage est l’accumulation de déformation permanente dans la trace des roues sous l’effet de charges de trafic répétées. La granulométrie des agrégats joue un rôle primordial dans la résistance à l’orniérage :

• Les granulométries grossières continues (en dessous de la ligne de densité maximale) offrent une résistance supérieure à l’orniérage car le squelette d’agrégats grossiers porte la charge grâce au contact pierre-sur-pierre. Les vides dans le granulat grossier (VCA) dans ces mélanges sont généralement inférieurs au VCA de la fraction grossière pure, confirmant le verrouillage des agrégats.
• Les mélanges à granulométrie fine (au-dessus de la ligne de densité maximale) sont plus sensibles à l’orniérage car les particules grossières « flottent » dans une matrice de granulats fins et de liant, réduisant le contact pierre-sur-pierre. La charge est portée principalement par le mortier liant-fines, qui est plus sujet à l’écoulement visqueux sous charge.
• Les mélanges à granularité discontinue comme le SMA offrent une résistance exceptionnelle à l’orniérage car la fraction grossière est spécifiquement conçue pour le contact pierre-sur-pierre.

Fissuration par Fatigue

La fissuration par fatigue résulte de déformations de traction répétées à la base de la couche de HMA sous l’effet des charges de trafic :

• Les mélanges à granularité continue distribuent les contraintes de traction plus uniformément à travers le squelette granulométrique, ce qui se traduit par une durée de vie en fatigue plus longue. La granulométrie optimale pour la résistance à la fatigue dépend de la teneur en liant et du niveau de vides d’air.
• Les mélanges à granularité ouverte ont une rigidité plus faible en raison des vides d’air élevés, ce qui peut augmenter les déformations de traction à la base de la couche et réduire la durée de vie en fatigue lorsqu’ils sont utilisés dans des couches structurelles.
• Les mélanges à granulométrie fine peuvent présenter une durée de vie en fatigue plus courte à faible teneur en liant en raison d’une épaisseur de film insuffisante, mais peuvent bien fonctionner à des teneurs en liant plus élevées.

Fissuration à Basse Température

Dans les climats froids, les contraintes de contraction thermique peuvent provoquer des fissures transversales lorsqu’elles dépassent la résistance à la traction du mélange :

• Les mélanges à granulométrie grossière avec une grande NMAS ont tendance à développer des contraintes thermiques plus élevées en raison d’une rigidité plus importante à basse température, augmentant potentiellement la fréquence des fissures.
• Les mélanges à granulométrie fine avec plus de liant et une rigidité plus faible peuvent mieux accommoder la contraction thermique.
• La teneur en filler minéral (P200) influence la rigidité du mastic à basse température et affecte la résistance à la fissuration thermique.

Dommages dus à l’Humidité

Les dommages dus à l’humidité, la perte de liaison adhésive entre l’agrégat et le liant en présence d’eau, sont influencés par la granulométrie :

• Les mélanges à granularité ouverte ont une perméabilité élevée qui permet une entrée rapide de l’eau, mais aussi un drainage rapide.
• Les mélanges à granularité dense avec une faible perméabilité minimisent l’entrée d’eau mais peuvent piéger l’eau qui pénètre, accélérant les dommages dus à l’humidité.
• Les mélanges à granulométrie fine avec une teneur élevée en P200 peuvent avoir une meilleure résistance aux dommages dus à l’humidité car le mastic fin est moins perméable.

Perméabilité et Drainage

La relation entre la granulométrie et la perméabilité est exponentielle. Même de faibles changements dans le pourcentage passant le tamis de 0,075 mm (No 200) affectent considérablement la perméabilité. Les recherches de Ridgeway (1982) ont démontré que l’augmentation de la teneur en P200 de 2 % à 8 % réduisait la perméabilité d’un matériau de base granulaire d’environ quatre ordres de grandeur. Cette sensibilité explique pourquoi de nombreuses spécifications contrôlent strictement la teneur en P200.

Pour les couches de fondation et de base destinées à assurer le drainage, les agences spécifient des agrégats à granularité ouverte avec des teneurs maximales en P200 de 2 % à 4 %. Pour les couches de base à granularité dense où la capacité portante est la préoccupation principale, des teneurs en P200 jusqu’à 8 % peuvent être autorisées.

Fourchettes de Spécification Granulométrique

Les spécifications granulométriques définissent des plages acceptables de distribution de la taille des particules pour des applications de chaussée spécifiques. Celles-ci sont généralement exprimées sous forme de fourchettes de spécification, limites supérieures et inférieures du pourcentage passant à chaque dimension de tamis.

Types de Spécifications

Les spécifications granulométriques peuvent être classées en plusieurs types :

• Spécification à fourchette unique, Un ensemble de limites supérieures et inférieures définissant une seule zone granulométrique acceptable pour une application donnée. C’est le type le plus courant.
• Spécification à fourchettes multiples, Plusieurs bandes granulométriques (par exemple, Granulométrie A, B, C) pour différentes applications ou différentes dimensions maximales d’agrégats dans le même tableau de spécification. Le FHWA FP-96 inclut plusieurs bandes granulométriques pour les couches de fondation, de base et de roulement.
• Spécification point à point, Au lieu de bandes continues, des valeurs cibles spécifiques avec des tolérances aux dimensions de tamis clés. Cette approche est utilisée dans certaines spécifications d’agences pour le contrôle qualité.
• Points de contrôle Superpave, Limites de spécification à quatre dimensions de tamis critiques (maximum, NMAS, No 8 et No 200) avec une zone granulométrique recommandée entre elles. Superpave ne définit pas de bandes continues mais utilise des points de contrôle et des exigences supplémentaires comme la zone restreinte (historique) et les exigences de VMA.

Spécifications Représentatives de la FHWA

Les Spécifications Standard de la FHWA pour la Construction de Routes et de Ponts (FP-96) fournissent des bandes granulométriques représentatives pour les couches d’agrégats :

Les nombres entre parenthèses montrent les écarts admissibles par rapport à la valeur cible en production, reflétant la variabilité pratique inhérente à la production d’agrégats.

Points de Contrôle Granulométrique Superpave

Les spécifications Superpave définissent des points de contrôle pour chaque NMAS :

Superpave spécifie également que les granulométries ne doivent pas traverser la ligne de densité maximale d’une manière qui produirait un VMA excessivement bas, bien que cela soit désormais évalué par des exigences volumétriques plutôt que par la zone restreinte historique.

Spécifications Aéroportuaires FAA et OACI

Pour les chaussées aéroportuaires, la FAA et l’OACI spécifient des exigences granulométriques à travers des normes nationales comme la FAA P-401 (enrobé bitumineux) et P-501 (béton), telles que référencées dans le Manuel de Conception des Aérodromes de l’OACI, Partie 3. Les spécifications aéroportuaires sont généralement plus strictes que les spécifications routières en raison des charges aux roues et des pressions de pneus plus élevées des aéronefs, en particulier pour les pistes desservant les gros-porteurs.

La FAA P-401 pour les enrobés bitumineux aéroportuaires spécifie des bandes granulométriques pour les couches de roulement avec une NMAS variant généralement de 12,5 mm à 19,0 mm, avec un contrôle plus strict de la teneur en P200 (généralement 2 % à 7 %) et une attention particulière au pourcentage de faces concassées et aux particules plates/allongées, des propriétés qui interagissent avec la granulométrie pour contrôler la performance globale du mélange.

Contrôle Qualité et Réception

Pendant la production, la granulométrie est continuellement surveillée par des essais de contrôle qualité (CQ) effectués par le producteur et des essais d’assurance qualité (AQ) effectués par l’agence. Les fréquences d’essai typiques vont d’un essai granulométrique par 500 à 1 000 tonnes de matériau produit, selon les spécifications du projet.

Des méthodes statistiques de contrôle qualité, telles que les cartes de moyennes mobiles et l’analyse de l’écart-type, sont utilisées pour détecter les tendances qui pourraient indiquer un changement de granulométrie avant que le matériau ne tombe en dehors des limites de spécification. Les cartes de contrôle suivant le pourcentage passant aux tamis critiques, en particulier le tamis NMAS, le tamis No 8 (2,36 mm) et le tamis No 200 (0,075 mm), sont une pratique standard dans tous les grands projets de construction de chaussées.

La variabilité de la granulométrie est quantifiée à l’aide du module de finesse (MF) pour les granulats fins (somme des pourcentages cumulés retenus sur les tamis standard divisée par 100) et du coefficient d’uniformité (Cu = D60/D10) pour les sols et agrégats à grains grossiers. Ces indices fournissent des résumés de la granulométrie en un seul nombre mais ne remplacent pas l’analyse granulométrique détaillée à des fins de réception.

Résumé

La granulométrie des agrégats est une propriété fondamentale des matériaux qui contrôle la performance des chaussées en enrobé bitumineux et en béton. Elle est déterminée par une analyse granulométrique normalisée au tamis (ASTM C136 / AASHTO T 27), qui sépare les particules d’agrégats par taille à l’aide d’une série empilée de tamis standard. La distribution de la taille des particules qui en résulte est analysée graphiquement à l’aide de la courbe à puissance 0,45 de la FHWA, où la ligne de densité maximale théorique sert de référence pour évaluer la qualité granulométrique.

Les agrégats à granularité continue (dense) suivent de près la courbe de densité maximale et produisent des mélanges avec une stabilité élevée, une faible perméabilité et une bonne ouvrabilité, ce qui en fait la norme pour la plupart des applications de chaussée. Les agrégats à granularité discontinue, dépourvus de tailles de particules intermédiaires, offrent une résistance exceptionnelle à l’orniérage dans les applications de stone matrix asphalt. Les agrégats à granularité ouverte, sans fines, créent des chaussées perméables idéales pour le drainage et la réduction du bruit.

La dimension nominale maximale des agrégats définit la plus grande particule en quantité significative et contrôle l’épaisseur de couche, l’ouvrabilité, la texture de surface et la capacité structurelle. Les fourchettes de spécification granulométrique et les points de contrôle Superpave définissent les plages granulométriques acceptables pour chaque application, avec des considérations supplémentaires pour les chaussées aéroportuaires selon les normes FAA et OACI.