Qu'est-ce que le ciment asphaltique et les essais sur liant ?
Qu’est-ce que le ciment asphaltique ?

Le ciment asphaltique, aussi appelé liant asphaltique dans la pratique nord-américaine ou bitume en Europe et dans les normes internationales (EN 12591), est le matériau cimentaire brun foncé à noir obtenu par distillation sous vide du pétrole brut lors du raffinage. C’est le constituant qui lie les particules de granulats minéraux entre elles dans les chaussées en béton asphaltique (enrobé bitumineux à chaud). Le ciment asphaltique constitue environ 4% à 8% en masse d’un enrobé typique, mais ses propriétés contrôlent de manière disproportionnée la performance de la chaussée, la résistance à l’orniérage, la résistance à la fissuration par fatigue, la résistance à la fissuration à basse température, la résistance aux dommages par l’humidité et la durabilité sur la durée de vie de conception de la chaussée.
La composition chimique du ciment asphaltique est extraordinairement complexe. C’est un système colloïdal d’asphaltènes (hydrocarbures aromatiques polaires à haut poids moléculaire) dispersés dans une phase continue de maltenes, elle-même un mélange de saturés (hydrocarbures aliphatiques), d’aromatiques naphténiques, d’aromatiques polaires (résines) et de composés hétéroatomiques contenant du soufre, de l’azote, de l’oxygène et des métaux traces (vanadium, nickel, fer). Le rapport asphaltènes/maltenes régit les propriétés rhéologiques : une teneur plus élevée en asphaltènes produit des liants plus rigides et plus visqueux, tandis qu’une teneur plus élevée en maltenes produit des liants plus souples et plus fluides. Des techniques analytiques avancées telles que le fractionnement SARA (Saturés, Aromatiques, Résines, Asphaltènes) et la méthode de sous-fractionnement plus détaillée SAR-AD (Saturés, Aromatiques, Résines, Asphaltènes avec déterminateur d’asphaltènes) fournissent une caractérisation chimique détaillée qui corrèle avec la performance physique.
Le ciment asphaltique est produit par un processus de raffinage soigneusement contrôlé. Le pétrole brut est d’abord soumis à une distillation atmosphérique à environ 350°C pour séparer les fractions plus légères (essence, kérosène, diesel, gazoles). Le résidu atmosphérique est ensuite alimenté dans une tour de distillation sous vide fonctionnant à une pression absolue de 10-50 mmHg, où des gazoles supplémentaires sont extraits sous vide à des températures allant jusqu’à 400°C. Le produit de fond, les fonds de tour sous vide, est le ciment asphaltique. Les propriétés physiques du ciment asphaltique résultant dépendent de la source du pétrole brut (les bruts naphténiques, paraffiniques ou mixtes produisent des asphaltes fondamentalement différents), du point de coupe de distillation (coupe plus profonde = enrobé plus dur) et de tout traitement ultérieur tel que le soufflage à l’air (oxydation pour augmenter la rigidité) ou le désasphaltage par solvant (utilisation de propane ou de butane pour précipiter les asphaltènes pour des grades spéciaux).
Les essais sur liant servent trois objectifs fondamentaux : la classification, attribuer au liant un grade (grade de pénétration, grade de viscosité ou grade de performance) qui permet aux ingénieurs de spécifier le matériau approprié, le contrôle qualité, vérifier que le liant livré au projet respecte les exigences de grade spécifiées, et la prédiction de performance, utiliser les résultats d’essais rhéologiques et de vieillissement pour estimer comment le liant performera dans les conditions climatiques et de trafic spécifiques de la chaussée. L’évolution des essais sur liant, de simples essais empiriques (pénétration à 25°C, point de ramollissement) à la caractérisation rhéologique avancée (DSR, BBR, MSCR), représente l’une des avancées les plus significatives dans l’ingénierie des matériaux de chaussée.
Essai de pénétration, ASTM D5 / AASHTO T 49

L’essai de pénétration est le test standardisé le plus ancien pour le ciment asphaltique, développé pour la première fois au début des années 1900 et normalisé comme ASTM D5 et AASHTO T 49. Malgré sa nature empirique, l’essai de pénétration reste largement utilisé internationalement, particulièrement en Europe, en Asie, en Afrique et en Amérique du Sud où les spécifications de grade de pénétration (EN 12591) régissent encore la classification des liants pour la plupart des constructions routières.
L’essai mesure la consistance (dureté) du ciment asphaltique en déterminant la profondeur, en dixièmes de millimètre (0,1 mm ou dmm), à laquelle une aiguille standard pénètre un échantillon dans des conditions contrôlées. Les conditions d’essai standard sont : température de 25,0°C ± 0,1°C, charge de 100,0 g ± 0,1 g (le poids de l’aiguille plus le poids appliqué) et temps de chargement de 5,0 secondes ± 0,1 seconde. L’aiguille de pénétration est en acier inoxydable trempé avec un diamètre de 1,00 mm à 1,02 mm et une pointe conique tronquée avec un angle inclus de 8,7° à 9,7°. L’échantillon est conditionné dans un bain d’eau à 25°C pendant au moins 1 heure avant l’essai.
La valeur de pénétration est rapportée en unités dmm sans décimales, par exemple, une pénétration de 65 dmm (6,5 mm) est rapportée simplement comme 65. Le résultat est la moyenne d’au moins trois déterminations sur le même échantillon. La précision de l’essai de pénétration selon ASTM D5 est : répétabilité (même opérateur, même équipement), 4% de la valeur moyenne, reproductibilité (opérateurs différents, laboratoires différents), 11% de la valeur moyenne.
| Grade de pénétration | Plage de pénétration (dmm) | Équivalent PG typique | Applications courantes |
|---|---|---|---|
| 40/50 | 40 - 49 | PG 70-22 à PG 76-22 | Autoroutes à fort trafic, climats chauds |
| 60/70 | 60 - 69 | PG 64-22 | Grade de pavage standard mondial |
| 80/100 | 80 - 99 | PG 58-28 | Climats modérés, trafic moyen |
| 120/150 | 120 - 149 | PG 52-34 | Climats froids, trafic faible |
| 200/300 | 200 - 299 | PG 46-40 | Climats très froids, usages spécialisés |
L’essai de pénétration a des limitations critiques. C’est une mesure empirique à point unique à une température arbitraire (25°C) qui n’est pas liée à la performance de la chaussée ni aux températures de service élevées (50°C à 80°C pour l’orniérage) ni aux températures de service basses (-10°C à -40°C pour la fissuration thermique). Deux liants avec une pénétration identique à 25°C peuvent avoir des susceptibilités à la température dramatiquement différentes, l’un peut être excessivement mou aux températures élevées (sujet à l’orniérage) tandis que l’autre reste adéquatement rigide. L’essai de pénétration ne tient pas non plus compte des effets de vieillissement, de la modification par polymères ou du taux de chargement, tous critiques pour la performance sur le terrain. Malgré ces limitations, le classement par pénétration reste profondément ancré dans les spécifications internationales et est encore utilisé pour l’assurance qualité dans de nombreux pays en raison de sa simplicité, de son faible coût et de sa base de données historiques extensive.
L’indice de pénétration (PI) est un paramètre dérivé qui utilise la pénétration à 25°C et le point de ramollissement (Anneau et Bille) pour estimer la susceptibilité à la température du liant. Le PI varie d’environ -3 (fortement susceptible à la température) à +7 (faible susceptibilité à la température, typique des liants soufflés à l’air ou modifiés aux polymères). Un PI entre -1 et +1 est typique pour les enrobés conventionnels de grade de pavage. Le PI est calculé comme : PI = (1952 - 500 log(Pen_25) - 20 SP) / (50 log(Pen_25) - SP - 120), où Pen_25 est la pénétration à 25°C et SP est le point de ramollissement en °C.
Point de ramollissement, Anneau et Bille, ASTM D36 / AASHTO T 53

L’essai de point de ramollissement Anneau et Bille, normalisé comme ASTM D36 et AASHTO T 53, mesure la température à laquelle le ciment asphaltique atteint une consistance spécifique, le point auquel il ramollit suffisamment pour s’écouler sous le poids d’une bille d’acier standard. L’essai est une caractérisation thermomécanique qui fournit des informations sur le comportement à haute température du liant et sa susceptibilité à la température.
La procédure d’essai consiste à verser de l’enrobé fondu dans deux anneaux en laiton standard (15,88 mm de diamètre intérieur, 6,35 mm de hauteur, 2,38 mm d’épaisseur de paroi), puis à les laisser refroidir. Après avoir arasé l’excès d’enrobé au niveau de la surface de l’anneau, une bille d’acier standard (9,53 mm de diamètre, 3,50 g ± 0,05 g) est centrée sur chaque échantillon. L’assemblage est placé dans un bain liquide, de l’eau distillée pour les points de ramollissement inférieurs à 80°C, de la glycérine pour les points de ramollissement supérieurs à 80°C, et chauffé à un taux contrôlé de 5,0°C ± 0,5°C par minute. La température est enregistrée au moment où chaque bille, recouverte d’enrobé ramolli, touche la plaque inférieure (25 mm sous la position de départ). La moyenne des deux températures enregistrées est rapportée comme point de ramollissement.
Les valeurs typiques de point de ramollissement pour les enrobés de grade de pavage varient d’environ 38°C à 55°C (100°F à 131°F) pour les liants conventionnels, et jusqu’à 70°C à 90°C pour les liants modifiés aux polymères ou soufflés à l’air. Le point de ramollissement augmente avec la rigidité du liant, les grades de pénétration plus élevés (liants plus mous) ont des points de ramollissement plus bas, tandis que les grades de pénétration plus bas (liants plus durs) ont des points de ramollissement plus élevés. Pour un liant PG 64-22 typique (environ 60/70 de pénétration), le point de ramollissement est généralement entre 48°C et 55°C.
Le point de ramollissement (SP), combiné avec la pénétration à 25°C, est utilisé pour calculer l’indice de pénétration (PI), la mesure la plus largement utilisée de la susceptibilité à la température du liant. L’équation du PI est donnée dans la section sur la pénétration ci-dessus. Le PI fournit un aperçu critique de la façon dont la rigidité du liant change avec la température. Les liants avec des valeurs de PI élevées (approchant +7) ont des courbes rigidité-température plates, ils changent relativement peu de rigidité avec la température, ce qui les rend adaptés aux climats avec de larges plages de température. Les liants avec des valeurs de PI faibles (approchant -3) sont fortement susceptibles à la température, rigides aux basses températures mais très mous aux températures élevées, ce qui les rend sujets à la fois à la fissuration thermique et à l’orniérage.
L’essai de point de ramollissement a une précision améliorée par rapport à la pénétration : la répétabilité est de 1,0°C et la reproductibilité est de 2,0°C selon ASTM D36. L’essai est particulièrement utile pour détecter la modification par polymères, les liants modifiés SBS (styrène-butadiène-styrène) montrent typiquement des points de ramollissement élevés (souvent ≥ 60°C) qui ne sont pas cohérents avec leur grade de pénétration, indiquant la présence d’un réseau élastomérique qui améliore la rigidité à haute température sans sacrifier la flexibilité à basse température.
Viscosité rotationnelle, ASTM D4402 / AASHTO T 316
L’essai au viscosimètre rotationnel (RV), normalisé comme ASTM D4402 et AASHTO T 316, mesure la viscosité des liants asphaltiques à des températures élevées (typiquement 135°C, 165°C et 175°C) en utilisant un viscosimètre de type Brookfield. L’essai évalue l’ouvrabilité du liant, sa capacité à être pompé, transféré et malaxé avec les granulats aux températures de centrale d’enrobage.
L’appareil d’essai se compose d’un thermosel (four à température contrôlée) qui chauffe une chambre d’échantillon contenant le liant, d’une broche insérée dans le liant et d’un viscosimètre qui mesure le couple requis pour faire tourner la broche à une vitesse constante. Les conditions standard pour les essais de liant PG sont 135,0°C ± 0,5°C et 20 RPM de vitesse de rotation de la broche. La broche appropriée est sélectionnée pour maintenir la lecture de couple entre 10% et 100% de la pleine échelle, les broches typiques sont la #21 pour les liants plus mous et la #27 ou #29 pour les liants plus durs. L’échantillon est conditionné pendant 30 minutes à la température d’essai avant la mesure.
La viscosité est calculée à partir de la lecture de couple en utilisant le facteur de calibration spécifique à la broche. La limite de spécification PG selon AASHTO M 320 et M 332 est viscosité ≤ 3,0 Pa·s (3000 cP) à 135°C. Les liants qui dépassent cette limite ne peuvent pas être facilement manipulés aux températures typiques de centrale d’enrobage et peuvent nécessiter des températures de malaxage et de compactage accrues. Les températures de malaxage et de compactage pour l’enrobé sont déterminées à partir de la relation viscosité-température, typiquement les températures auxquelles la viscosité du liant se situe dans la plage de 0,17 ± 0,02 Pa·s (pour le malaxage) et 0,28 ± 0,03 Pa·s (pour le compactage).
La relation viscosité-température suit un comportement de type Arrhenius : log(viscosité) est approximativement linéaire avec l’inverse de la température absolue (1/T en Kelvin). En mesurant la viscosité à un minimum de deux températures (typiquement 135°C et 165°C ou 175°C), la courbe complète viscosité-température peut être établie, permettant la détermination des plages de températures de malaxage et de compactage. Pour les liants modifiés aux polymères, la relation viscosité-température peut dévier du modèle simple d’Arrhenius, ces liants présentent souvent un comportement rhéofluidifiant (pseudoplastique) où la viscosité diminue avec l’augmentation du taux de cisaillement, nécessitant une sélection soigneuse de la vitesse de broche et de la géométrie.
L’essai de viscosité rotationnelle est également utilisé pour évaluer la stabilité au stockage des liants modifiés en comparant la viscosité d’échantillons prélevés du haut et du bas d’un réservoir de stockage après une période de maintien spécifiée. Une différence significative entre la viscosité du haut et du bas indique une séparation des polymères, le modifiant polymère a flotté vers le haut en raison de différences de densité et d’incompatibilité avec le liant de base.
Rhéomètre à cisaillement dynamique, DSR, AASHTO T 315 / ASTM D7175
Le rhéomètre à cisaillement dynamique (DSR) est l’instrument le plus important dans les essais modernes de liant asphaltique. Normalisé comme AASHTO T 315 et ASTM D7175, le DSR mesure les propriétés viscoélastiques des liants asphaltiques aux températures de service élevées et intermédiaires en appliquant un chargement de cisaillement oscillatoire. Le DSR est l’instrument d’essai principal pour la spécification de liant en grade de performance (PG) Superpave.
Le DSR fonctionne en sandwichant un échantillon mince de liant asphaltique entre deux plateaux parallèles. Pour les liants non vieillis et vieillis RTFO, des plateaux de 25 mm de diamètre avec un entrefer de 1,000 mm ± 0,050 mm sont utilisés. Pour les liants vieillis PAV, des plateaux de 8 mm de diamètre avec un entrefer de 2,000 mm ± 0,050 mm sont utilisés. Les plateaux plus petits et l’entrefer plus grand pour les liants vieillis accommodent la rigidité plus élevée du matériau vieilli. La température d’essai est contrôlée à ±0,1°C en utilisant un bain de fluide ou une chambre environnementale qui entoure l’assemblage d’échantillon.
Le DSR applique une déformation ou contrainte de cisaillement oscillatoire (sinusoïdale) à une fréquence de 10 radians par seconde (environ 1,59 Hz). Cette fréquence a été sélectionnée pendant le programme SHRP pour représenter le taux de chargement d’un véhicule voyageant à environ 55 mph (90 km/h). L’amplitude de déformation appliquée est contrôlée pour rester dans la plage viscoélastique linéaire du liant, typiquement 10% à 12% de déformation pour les liants non vieillis et 1% pour les liants vieillis PAV.
Le DSR mesure deux paramètres fondamentaux. Le module de cisaillement complexe (G)*, exprimé en kPa, est la résistance totale du liant à la déformation sous chargement de cisaillement répété. Un G* plus élevé indique un liant plus rigide. L’angle de phase (δ), exprimé en degrés, est le décalage temporel entre la contrainte appliquée et la déformation résultante. Pour un matériau parfaitement élastique, δ = 0° (la contrainte et la déformation sont parfaitement en phase, toute l’énergie est stockée et recouvrée). Pour un fluide newtonien purement visqueux, δ = 90° (la contrainte précède la déformation de 90°, toute l’énergie est dissipée sous forme de chaleur). Les liants asphaltiques sont viscoélastiques, présentant un comportement entre ces extrêmes.
Le DSR fournit trois paramètres de spécification utilisés pour le classement PG du liant, chacun correspondant à un mécanisme de dégradation différent et à un âge du liant :
| Âge du liant | Paramètre d’essai | Limite de spécification | Objectif |
|---|---|---|---|
| Original (non vieilli) | G/sin δ* | ≥ 1,00 kPa | Résistance à l’orniérage, liant tel que livré |
| Résidu vieilli RTFO | G/sin δ* | ≥ 2,20 kPa | Résistance à l’orniérage, liant après construction |
| Résidu vieilli PAV | G× sin δ* | ≤ 5000 kPa | Résistance à la fissuration par fatigue, liant vieilli |
Le paramètre d’orniérage G/sin δ* est une mesure de la résistance du liant à la déformation permanente aux températures élevées de la chaussée. Le sin δ au dénominateur pénalise le comportement visqueux (δ élevé) et récompense le comportement élastique (δ faible). Pour le même G*, un liant avec un δ plus faible (plus élastique) a un G*/sin δ plus élevé et est considéré comme plus résistant à l’orniérage. La spécification exige un G*/sin δ plus élevé sur le liant vieilli RTFO (2,20 kPa) par rapport au liant original (1,00 kPa) parce que le liant durcit pendant la construction et que la saison critique d’orniérage se produit peu après la construction lorsque le liant est encore dans son état vieilli à court terme.
Le paramètre de fatigue G× sin δ* est une mesure de la résistance du liant à la fissuration par fatigue aux températures intermédiaires de la chaussée (typiquement 20°C à 35°C). Le sin δ au numérateur récompense le comportement visqueux (δ élevé) parce qu’un liant plus visqueux peut dissiper l’énergie sous chargement répété plutôt que de la stocker et de se fracturer. Pour le même G*, un liant avec un δ plus élevé (plus visqueux) a un G*× sin δ plus faible et est considéré comme plus résistant à la fatigue. Le résidu vieilli PAV est utilisé parce que la fissuration par fatigue se développe typiquement après que le liant a vieilli en service pendant plusieurs années.
La température d’essai DSR pour la détermination du grade PG est la température de conception élevée de la chaussée pour les essais original/RTFO et la température intermédiaire de la chaussée pour les essais PAV. La température intermédiaire est calculée comme (Température élevée + Température basse)/2 + 4°C, avec des ajustements comme spécifié dans AASHTO R 29. Pour un liant PG 64-22, la température intermédiaire est d’environ 25°C.
Rhéomètre à poutre en flexion, BBR, AASHTO T 313 / ASTM D6648

L’essai au rhéomètre à poutre en flexion (BBR), normalisé comme AASHTO T 313 et ASTM D6648, évalue la résistance des liants asphaltiques à la fissuration à basse température (thermique), l’un des trois mécanismes de dégradation primaires dans les chaussées en enrobé. Le BBR est l’instrument essentiel pour déterminer le grade PG à basse température d’un liant.
L’essai utilise une éprouvette prismatique de liant vieilli PAV avec des dimensions de 127 mm ± 2 mm de longueur, 12,70 mm ± 0,05 mm de largeur et 6,35 mm ± 0,05 mm de hauteur. La poutre est placée sur deux supports espacés de 102,0 mm ± 1,0 mm et immergée dans un bain de fluide à température contrôlée (typiquement de l’éthanol) maintenu à la température de conception basse de la chaussée plus 10°C, par exemple, à -12°C pour un grade à basse température PG XX-22 et à -18°C pour un grade PG XX-28.
Une charge de fluage constante de 980 mN ± 10 mN (100 gf ± 1 gf) est appliquée au point médian de la poutre, et la déflexion est mesurée en fonction du temps sur 240 secondes en utilisant un transformateur différentiel à variation linéaire (LVDT) avec une résolution de 0,1 µm. La charge est appliquée par un système pneumatique, et l’essai est conduit sous contrôle informatique. Le BBR est un essai de fluage, la charge est appliquée et maintenue constante pendant que la déformation est mesurée dans le temps, fournissant des informations à la fois sur la rigidité instantanée et la réponse viscoélastique dépendante du temps.
Deux paramètres sont dérivés de l’essai BBR à 60 secondes de chargement. La rigidité au fluage (S(60)) est le rapport de la contrainte maximale dans la poutre à la déformation mesurée à 60 secondes, exprimé en MPa. La limite de spécification selon AASHTO M 320/M 332 est S ≤ 300 MPa. La rigidité au fluage représente la résistance du liant à la déformation en flexion à la température d’essai, une rigidité plus faible indique un liant plus mou et plus flexible qui peut mieux accommoder la contraction thermique sans fissurer.
La valeur m (m(60)) est la valeur absolue de la pente de la courbe log rigidité au fluage (log S) versus log temps (log t) à 60 secondes. La limite de spécification est valeur m ≥ 0,300. La valeur m représente le taux auquel la rigidité du liant diminue avec le temps de chargement, c’est une mesure de la capacité du liant à relaxer les contraintes thermiques. Une valeur m plus élevée signifie que le liant peut rapidement soulager les contraintes lorsqu’elles s’accumulent pendant le refroidissement, réduisant la probabilité de fissuration thermique. La valeur m est souvent plus critique que la rigidité au fluage parce qu’un liant avec une rigidité adéquate (S < 300 MPa) mais une valeur m faible (< 0,300) sera encore sujet à la fissuration thermique car il ne peut pas relaxer les contraintes assez rapidement.
L’essai BBR est réalisé à T_basse + 10°C plutôt qu’à la température minimale réelle de la chaussée pour deux raisons. Premièrement, la fissuration thermique sur le terrain ne se produit pas seulement à la température minimale de la chaussée mais aussi pendant le processus de refroidissement, le liant doit être capable de relaxer les contraintes lorsqu’elles s’accumulent pendant le refroidissement, et la marge de sécurité de 10°C tient compte de ce phénomène. Deuxièmement, l’essai est plus pratique à la température plus chaude parce que le liant est moins fragile et que les résultats d’essai sont plus répétables.
L’essai de traction directe (DTT) selon AASHTO T 314 est requis comme essai supplémentaire lorsque la rigidité au fluage BBR à 60 secondes est entre 300 MPa et 600 MPa. Le DTT mesure la déformation à la rupture d’une éprouvette en forme d’haltère de liant vieilli PAV à la température de conception basse de la chaussée, allongée à 1,00 mm/min. La déformation à la rupture doit être ≥ 1,0%. Le DTT fournit une mesure directe de la capacité d’allongement en traction du liant, qui est la propriété matérielle fondamentale régissant la résistance à la fissuration thermique. Si la rigidité BBR dépasse 600 MPa, le liant échoue indépendamment des résultats DTT.
Fluage et recouvrement à contraintes multiples, MSCR, AASHTO T 350 / ASTM D7405
L’essai de fluage et recouvrement à contraintes multiples (MSCR), normalisé comme AASHTO T 350 et ASTM D7405, est l’avancée la plus significative dans l’évaluation de l’orniérage des liants asphaltiques depuis la spécification Superpave originale. L’essai MSCR répond aux limitations critiques du paramètre d’orniérage DSR G*/sin δ, particulièrement son incapacité à caractériser précisément les liants modifiés aux polymères en raison de la sensibilité au durcissement stérique, un raidissement moléculaire réversible qui se produit pendant le stockage à température ambiante et gonfle les valeurs de G*/sin δ, conduisant à une surestimation de la résistance à l’orniérage.
L’essai MSCR utilise le même équipement DSR que l’essai oscillatoire standard mais avec un protocole de chargement fondamentalement différent, fluage et recouvrement plutôt que cisaillement oscillatoire. L’essai applique une contrainte de cisaillement constante pendant 1 seconde (phase de fluage), suivie de 0 contrainte pendant 9 secondes (phase de recouvrement). Ce cycle de 10 secondes est répété 10 fois à un niveau de contrainte inférieur de 0,1 kPa, puis immédiatement suivi de 10 cycles à un niveau de contrainte supérieur de 3,2 kPa. Les niveaux de contrainte de fluage simulent différentes conditions de chargement de trafic, 0,1 kPa représente un trafic plus léger, tandis que 3,2 kPa représente les contraintes de cisaillement plus élevées des trafics lourds, lents ou à l’arrêt.
Le paramètre principal de l’essai MSCR est la compliance de fluage non récupérable (Jnr). Jnr est calculé comme la déformation résiduelle à la fin de chaque période de recouvrement de 9 secondes divisée par la contrainte de fluage appliquée. Jnr est exprimé en kPa⁻¹ et représente la contribution du liant à la déformation permanente (non récupérable) sous chaque cycle de charge. Des valeurs de Jnr plus faibles indiquent une meilleure résistance à l’orniérage. La valeur de spécification est Jnr3.2, la compliance de fluage non récupérable moyenne des 10 cycles à 3,2 kPa de contrainte.
Le paramètre secondaire est le pourcentage de recouvrement (%R) à 3,2 kPa, le pourcentage de la déformation totale de fluage qui est recouvrée pendant la période de recouvrement de 9 secondes. %R indique le degré de comportement élastique dans le liant. Des valeurs de recouvrement plus élevées sont caractéristiques de la modification par polymères élastomériques (par exemple, les liants modifiés SBS montrent typiquement %R ≥ 30% pour Jnr = 1,0 kPa⁻¹). %R n’est pas une exigence de réussite/échec mais est utilisé comme indicateur de la teneur et de la qualité des polymères.
La sensibilité à la contrainte (Jnr_diff) est calculée comme le pourcentage de différence entre Jnr à 0,1 kPa et Jnr à 3,2 kPa : Jnr_diff = 100 × (Jnr3.2, Jnr0.1) / Jnr0.1. La limite de spécification pour Jnr_diff est ≤ 75% pour tous les grades de trafic. Les liants avec une sensibilité élevée à la contrainte montrent une augmentation significative du potentiel de déformation permanente à des niveaux de contrainte plus élevés, indiquant une mauvaise performance sous un trafic lourd ou lent.
AASHTO M 332 utilise les limites Jnr3.2 basées sur MSCR pour définir les grades de trafic, remplaçant l’approche d’augmentation de grade de AASHTO M 320 :
| Désignation de trafic | Max Jnr3.2 (kPa⁻¹) | Application typique |
|---|---|---|
| S, Standard | 4,5 | < 10 millions d’ESAL, vitesse de trafic standard |
| H, Lourd | 2,0 | 10-30 millions d’ESAL, trafic lent |
| V, Très lourd | 1,0 | > 30 millions d’ESAL, charges à l’arrêt |
| E, Extrême | 0,5 | > 30 millions d’ESAL, charges très lentes/à l’arrêt |
L’essai MSCR a trois avantages critiques par rapport à l’essai DSR G*/sin δ. Premièrement, il mesure la déformation non récupérable directement plutôt que de l’inférer de la réponse oscillatoire, Jnr est une mesure directe de la déformation permanente par unité de contrainte, ce qui contrôle exactement l’orniérage sur le terrain. Deuxièmement, l’essai MSCR n’est pas affecté par le durcissement stérique, le chargement fluage-recouvrement perturbe les structures moléculaires réversibles qui causent le durcissement stérique, produisant des résultats qui représentent la véritable résistance à l’orniérage du liant. Troisièmement, l’essai MSCR fournit des informations sur la réponse élastique à travers %R, permettant l’identification de la qualité de la modification par polymères.
Four à film mince rotatif, RTFO, AASHTO T 240 / ASTM D2872

L’essai au four à film mince rotatif (RTFO), normalisé comme AASHTO T 240 et ASTM D2872, simule le vieillissement à court terme que subit le liant asphaltique pendant la production d’enrobé bitumineux à chaud, le transport et la mise en place. L’essai est un composant essentiel du système de spécification de liant PG parce que les propriétés du liant après vieillissement à court terme (et non les propriétés originales non vieillies) régissent la performance pendant les années critiques du début de la vie de la chaussée.
L’essai RTFO utilise un four à convection spécialement conçu qui maintient huit bouteilles en verre cylindriques (64 mm de diamètre intérieur, 140 mm de longueur) dans un carrousel vertical. Chaque bouteille contient 35,0 g ± 0,5 g de liant asphaltique. Le four est préchauffé à 163°C ± 1°C. Le carrousel tourne à 15,0 ± 0,2 RPM, et un jet d’air délivre 4000 mL/min d’air comprimé filtré dans chaque bouteille. Le liant est soumis à ces conditions pendant exactement 85 minutes à partir du moment où la température du four se stabilise après chargement.
La rotation crée un film mince de liant sur la paroi intérieure de la bouteille, l’épaisseur du liant est d’environ 1,25 mm. Ce film mince maximise la surface exposée à l’air chaud, accélérant le vieillissement oxydatif. L’exposition de 85 minutes à 163°C simule l’historique thermique et oxydatif du liant pendant environ 2 à 4 heures à la centrale d’enrobage, y compris : le chauffage dans les réservoirs de stockage (160-180°C), le malaxage avec des granulats surchauffés (les granulats sont typiquement à 150-175°C), le transport dans les camions (30-90 minutes) et la mise en place et le compactage (30-60 minutes).
Deux paramètres sont mesurés à partir de l’essai RTFO. La perte de masse est calculée comme le pourcentage de masse de liant perdue pendant l’essai en raison de l’évaporation des composants volatils. La limite de spécification selon AASHTO M 320/M 332 est perte de masse ≤ 1,00% pour la plupart des grades PG. Une perte de masse excessive (> 1,0%) indique que le liant contient des composants volatils excessifs qui s’évaporeront pendant la production, résultant en un liant plus rigide et plus fragile que prévu. Le résidu RTFO est recouvré et utilisé pour les essais ultérieurs, l’essai d’orniérage DSR G*/sin δ et, comme matériau de départ pour le vieillissement PAV.
L’essai RTFO a des limitations connues. La géométrie à film mince ne reproduit pas exactement le vieillissement qui se produit dans une centrale d’enrobage, où le liant recouvre les particules de granulats en films d’épaisseur variable (typiquement 6-15 µm, beaucoup plus minces que le film RTFO). La recherche a montré que le RTFO peut sous-vieillir les liants par rapport au vieillissement réel en centrale pour certaines combinaisons liant-granulats et sur-vieillir pour d’autres. L’essai au four à film mince rotatif à température variable (RTFOT-VT) et l’essai au ballon rotatif modifié (RFT) ont été proposés comme alternatives mais n’ont pas remplacé le RTFO standard dans les spécifications.
L’essai au four à film mince (TFOT) selon ASTM D1754 est une alternative plus ancienne au RTFO qui utilise des plateaux statiques (sans rotation) plutôt que des bouteilles rotatives. Le TFOT est encore spécifié dans certaines normes internationales et produit des effets de vieillissement généralement similaires, bien que le RTFO fournisse un vieillissement plus uniforme et reproductible en raison du renouvellement continu du film de liant par la rotation.
Enceinte de vieillissement sous pression, PAV, AASHTO R 28 / ASTM D6521

L’essai à l’enceinte de vieillissement sous pression (PAV), normalisé comme AASHTO R 28 et ASTM D6521, simule le vieillissement oxydatif à long terme que subit le liant asphaltique pendant 5 à 10 ans de vie en service de la chaussée. Les conditions d’essai PAV accélèrent le processus d’oxydation naturelle qui se produit lorsque l’oxygène de l’air diffuse dans les films de liant recouvrant les particules de granulats dans la chaussée.
L’essai PAV utilise le résidu vieilli RTFO comme matériau de départ. Le résidu RTFO, déjà conditionné pour simuler le vieillissement à court terme, est versé dans des plateaux en acier inoxydable pour atteindre une épaisseur de film d’environ 3,2 mm. Les plateaux sont placés dans l’enceinte PAV, qui est une chambre scellée en acier inoxydable. L’enceinte est pressurisée à 2,07 MPa ± 0,07 MPa (300 psi) avec de l’air comprimé et chauffée à la température d’essai. La température d’essai standard est 100°C ± 0,5°C pour les grades PG avec des grades à haute température jusqu’à PG 76. Pour les grades PG 76 et plus (typiquement les liants modifiés aux polymères), la température est augmentée à 110°C ± 0,5°C pour maintenir une accélération de vieillissement adéquate. Pour certains grades de climats froids, une température de 90°C peut être utilisée. Le liant est vieilli pendant exactement 20 heures ± 10 minutes à la température et à la pression spécifiées.
La haute pression (2,07 MPa = environ 20 atmosphères) accélère dramatiquement la diffusion de l’oxygène dans le film de liant, produisant un vieillissement en 20 heures équivalent à 5-10 ans de vieillissement sur le terrain dans les climats tempérés. La température de 100-110°C est assez élevée pour accélérer les réactions d’oxydation mais assez basse pour éviter la dégradation thermique (fissuration) des molécules du liant.
Après la période de vieillissement de 20 heures, l’enceinte est dépressurisée sur 8-10 minutes, et les plateaux sont retirés. Le résidu de liant vieilli PAV doit subir un dégazage sous vide à environ 170°C pour les grades standard (ou à la température de vieillissement PAV + 60°C pour d’autres grades) dans un four à vide à 15 kPa de pression absolue pendant 30 ± 5 minutes. L’étape de dégazage élimine les bulles d’air qui deviennent piégées dans le liant pendant le processus de vieillissement sous pression. Un dégazage inadéquat résultera en des valeurs de rigidité erronées (artificiellement faibles) parce que les bulles d’air piégées agissent comme des vides qui réduisent la section efficace des éprouvettes d’essai.
Le résidu PAV est utilisé pour deux essais critiques de spécification PG. L’essai de fatigue DSR (G× sin δ)* à la température intermédiaire de la chaussée évalue la résistance du liant à la fissuration par fatigue dans son état vieilli. L’essai à basse température BBR (S et valeur m) à la température basse de la chaussée plus 10°C évalue la résistance du liant à la fissuration thermique dans son état vieilli. Les deux essais utilisent le résidu PAV parce que la fissuration par fatigue et la fissuration thermique se manifestent typiquement après plusieurs années de service, lorsque le liant a subi un vieillissement oxydatif substantiel.
L’essai PAV durcit significativement le liant. Pour un liant PG 64-22 typique, le G* DSR à la température intermédiaire (25°C) peut augmenter d’environ 2 000 kPa (vieilli RTFO) à 4 500-5 500 kPa (vieilli PAV), une augmentation de plus de 100%. La rigidité au fluage BBR à -12°C augmente typiquement d’environ 150-250 MPa pour le liant vieilli RTFO à 250-350 MPa pour le liant vieilli PAV. Le gain de masse pendant le vieillissement PAV est typiquement de 0,1% à 0,5% en raison de l’absorption d’oxygène.
Propriétés du liant et dégradations de chaussée
La relation entre les résultats d’essais du liant asphaltique et les schémas de dégradation des chaussées sur le terrain est la connaissance fondamentale qui permet aux ingénieurs de sélectionner les grades de liant appropriés, de diagnostiquer les défaillances prématurées et de prédire la vie résiduelle de la chaussée. Chaque mécanisme majeur de dégradation dans les chaussées en enrobé peut être attribué à des propriétés spécifiques du liant évaluées par les essais décrits ci-dessus.
Orniérage (déformation permanente), L’orniérage est l’accumulation de déformation permanente dans les traces de roues aux températures élevées de la chaussée (typiquement > 40°C de température de chaussée). La contribution du liant à l’orniérage est contrôlée par sa rigidité et son élasticité à la température de service élevée. Le DSR G/sin δ* sur le liant original et vieilli RTFO quantifie la résistance à l’orniérage. Les liants avec un G*/sin δ inférieur aux limites de spécification à la température élevée de la chaussée seront trop mous pour résister aux contraintes de cisaillement du trafic, résultant en un orniérage dans les traces de roues. Le MSCR Jnr3.2 fournit une mesure encore plus directe, chaque cycle de charge produit un petit incrément de déformation permanente, et l’effet cumulatif sur des millions de cycles de charge produit un orniérage mesurable. Les liants avec des valeurs de Jnr élevées (liants mous et visqueux) sont particulièrement susceptibles à l’orniérage sous des charges lentes ou à l’arrêt (intersections, postes de péage, voies de montée).
Fissuration par fatigue, La fissuration par fatigue (fissuration en peau de crocodile) se produit aux températures intermédiaires de la chaussée (typiquement 15°C à 35°C) en raison des déformations de traction répétées au bas de la couche d’enrobé provenant du chargement du trafic. Le liant contribue à la résistance à la fatigue par sa rigidité et sa capacité de dissipation d’énergie. Le DSR G× sin δ* sur le liant vieilli PAV à la température intermédiaire quantifie la résistance à la fatigue. Les liants avec un G*× sin δ dépassant 5000 kPa sont trop rigides dans leur état vieilli et fissureront prématurément sous chargement répété. Le taux de vieillissement oxydatif contrôle également la vie en fatigue, les liants qui vieillissent rapidement (augmentation élevée de G* avec le vieillissement PAV) deviendront fragilisés plus tôt, déplaçant la courbe de fissuration par fatigue plus tôt dans la vie de la chaussée.
Fissuration à basse température (thermique), La fissuration thermique se produit pendant les périodes de froid lorsque la chaussée se contracte et que les contraintes de traction induites par la contraction dépassent la résistance à la traction du liant. La rigidité au fluage BBR (S) et la valeur m sur le liant vieilli PAV quantifient la résistance à la fissuration thermique. Les liants avec S > 300 MPa à la température basse de la chaussée plus 10°C sont trop rigides, ils génèrent des contraintes de traction élevées pendant la contraction qui dépassent leur résistance à la traction, résultant en des fissures transversales. Les liants avec une valeur m < 0,300 ne peuvent pas relaxer les contraintes assez rapidement pendant le refroidissement, même si la rigidité est acceptable. La déformation à la rupture DTT fournit des informations supplémentaires, les liants avec une déformation à la rupture < 1,0% à la température basse de la chaussée sont trop fragiles et fissureront sous contrainte thermique. La fissuration thermique est typiquement observée comme des fissures transversales uniformément espacées (5-20 m d’espacement), apparaissant souvent après le premier ou le deuxième hiver suivant la construction, particulièrement si le grade du liant a été sélectionné sans marge adéquate à basse température.
Dommages par l’humidité (désenrobage), Bien que principalement contrôlés par la minéralogie des granulats et les additifs anti-désenrobage, la chimie du liant influence la susceptibilité aux dommages par l’humidité. L’adhésion liant-granulats est affectée par la chimie acide/base du liant, les liants avec une teneur en asphaltènes plus élevée présentent généralement une meilleure adhésion aux granulats siliceux. L’essai Penn State et l’essai à l’eau bouillante (ASTM D3625) évaluent la sensibilité à l’humidité à l’interface liant-granulats.
Vieillissement et durabilité, La perte de masse RTFO fournit un aperçu de la volatilité du liant, les liants avec une perte de masse > 1,0% contiennent des fractions légères excessives qui s’évaporeront pendant la production, conduisant à un durcissement et une fragilisation prématurés. L’indice de vieillissement PAV (rapport de la viscosité ou rigidité vieillie PAV aux valeurs vieillies RTFO) fournit une mesure de la susceptibilité au vieillissement du liant. Les liants avec des indices de vieillissement élevés deviendront rigides et fragiles plus rapidement en service, conduisant potentiellement à une fissuration par fatigue ou thermique prématurée.
Le tableau suivant résume le lien entre les essais de liant PG et les dégradations de chaussée :
| Mécanisme de dégradation | Essai de contrôle | Paramètre critique | Indicateur sur le terrain |
|---|---|---|---|
| Orniérage | DSR (original + RTFO) ou MSCR (RTFO) | G*/sin δ ≥ 1,0/2,2 kPa ou Jnr3.2 ≤ spéc. | Dépressions dans les traces de roues, soulèvement latéral |
| Fissuration par fatigue | DSR (PAV) | G*× sin δ ≤ 5000 kPa | Fissuration en peau de crocodile (interconnectée) dans les traces de roues |
| Fissuration thermique | BBR (PAV) + DTT (PAV) | S ≤ 300 MPa, m ≥ 0,300, déformation ≥ 1,0% | Fissures transversales à espacement régulier |
| Ouvrabilité | Viscosimètre rotationnel | Viscosité ≤ 3,0 Pa·s à 135°C | Difficultés de production, enrobé tendre |
| Volatilité | RTFO | Perte de masse ≤ 1,0% | Fissuration prématurée due à un vieillissement excessif |
Essais de liant pour les chaussées aéroportuaires, normes FAA et OACI
Les essais de liant des chaussées aéroportuaires suivent les mêmes principes fondamentaux que les essais de liant routiers mais avec des modifications importantes pour tenir compte des conditions uniques de chargement et environnementales des opérations aéronautiques. La Federal Aviation Administration (FAA) spécifie les exigences de liant à travers son article P-401 (Chaussées bitumineuses en centrale) dans la circulaire consultative 150/5370-10H.
La FAA exige des essais de liant PG selon ASTM D6373 (Spécification standard pour liant asphaltique classé par performance) pour tous les projets de chaussées aéroportuaires. Le grade PG est sélectionné en utilisant la même base de données météorologiques LTPP Bind que les projets routiers, mais la FAA utilise un niveau de fiabilité de 98% pour les aéroports de service commercial (contre 50% couramment utilisé pour les routes), reflétant la nature critique pour la sécurité des chaussées aéronautiques.
Les différences clés dans les essais et spécifications de liant aéroportuaire incluent :
Augmentation de grade pour les pressions de pneus d’aéronefs, Les pressions de pneus d’aéronefs varient de 100 psi (aviation générale) à plus de 250 psi (Boeing 777, Airbus A380), comparées aux pressions typiques de pneus de camions routiers de 100-120 psi. Les pressions de pneus plus élevées imposent des contraintes de cisaillement plus grandes sur la surface de la chaussée, nécessitant des grades PG à haute température plus élevés. La FAA recommande une augmentation de grade d’un à deux grades pour les chaussées d’aéronefs lourds, particulièrement dans les climats chauds.
Exigences d’essais PG Plus, Pour les liants avec un écart de température de 92°C ou plus (indiquant une modification par polymères), la FAA exige des essais PG Plus selon les spécifications supplémentaires de l’agence. Cela inclut le recouvrement élastique (ASTM D6084) à 25°C avec un recouvrement minimum de 60-70%, et la séparation des polymères (ASTM D7173) avec une différence maximale de point de ramollissement de 2,5°C à 5,5°C entre les sections supérieure et inférieure d’un échantillon stocké verticalement.
Liants résistants au carburant, Les chaussées aéroportuaires près des positions de ravitaillement sont exposées aux déversements de carburant aviation (Jet A, Jet A-1, JP-8). Le carburant aviation est un solvant hydrocarboné qui dissout les liants asphaltiques conventionnels, causant l’arrachement et des dangers de corps étrangers (FOD). La FAA spécifie des liants spécialement résistants au carburant (SFR), des liants thermodurcissables chimiquement réticulés, pour ces zones critiques, et ces liants doivent réussir des essais supplémentaires d’immersion dans le carburant selon les spécifications de la FAA.
Essais à roue chargée, La FAA exige des essais d’orniérage à roue chargée dans le cadre de l’approbation de la formule d’enrobé selon AASHTO T 340 (analyseur de chaussée en enrobé) à 250 psi de pression de tuyau et 64°C, avec une profondeur d’ornière maximale de 10 mm à 4 000 passages.
Les normes de l’Organisation de l’aviation civile internationale (OACI), principalement à travers l’Annexe 14, Aérodromes et le Manuel de conception des aérodromes (Doc 9157, Partie 3), référencent les normes ASTM et nationales pour les essais et la sélection des liants asphaltiques. L’OACI exige que les matériaux des chaussées aéroportuaires soient sélectionnés pour résister aux conditions opérationnelles de l’aéroport, y compris le chargement des aéronefs, les pressions de pneus et les conditions climatiques. L’OACI ne prescrit pas de méthodes d’essai de liant spécifiques mais exige que les États membres s’assurent que les liants respectent des normes de performance appropriées. Dans la pratique, la plupart des aéroports internationaux hors Amérique du Nord utilisent des liants à grade de pénétration selon EN 12591 avec des exigences de spécification supplémentaires pour la modification par polymères dans les zones à forte charge, tandis que les aéroports en Amérique du Nord utilisent principalement des liants PG selon ASTM D6373 ou AASHTO M 332.
Chimie du ciment asphaltique et son effet sur les essais de liant
La composition chimique du ciment asphaltique contrôle fondamentalement ses propriétés physiques et rhéologiques et, par conséquent, sa performance dans les essais de liant. Comprendre ces relations permet aux ingénieurs d’interpréter les résultats d’essais et de diagnostiquer les problèmes de performance à un niveau plus profond.
Le ciment asphaltique est un système colloïdal complexe composé d’asphaltènes (hydrocarbures aromatiques polaires à haut poids moléculaire) dispersés dans une phase continue de maltenes. La fraction maltene est elle-même composée de trois sous-fractions. Les saturés sont des hydrocarbures aliphatiques non polaires (20-40% en masse de la fraction maltene) qui contribuent à la fluidité et aux propriétés à basse température mais fournissent peu de rigidité. Les aromatiques (aromatiques naphténiques) sont des hydrocarbures cycliques à faible polarité (40-60%) qui agissent comme agent peptisant, dispersant les asphaltènes dans la phase maltene. Les résines (aromatiques polaires) sont des hydrocarbures à haute polarité (15-30%) qui agissent comme compatibilisant entre les asphaltènes et la phase maltene, stabilisant la structure colloïdale.
L’équilibre entre ces fractions contrôle les propriétés du liant. Une teneur élevée en asphaltènes produit des liants rigides et visqueux avec des valeurs de G* élevées, des points de ramollissement élevés et une faible pénétration, adaptés aux climats chauds et au trafic élevé. Une teneur élevée en maltenes (particulièrement des saturés élevés) produit des liants mous et fluides avec des valeurs de G* faibles, des points de ramollissement bas et une pénétration élevée, adaptés aux climats froids mais sujets à l’orniérage dans les conditions chaudes.
L’interaction asphaltènes-maltenes est critique pour comprendre la modification par polymères. Le polymère SBS (styrène-butadiène-styrène) absorbe les fractions aromatiques et résineuses de la phase maltene, formant un réseau élastomérique tridimensionnel qui réticule physiquement le liant. Ce réseau augmente dramatiquement la réponse élastique du liant (δ plus faible, %R plus élevé dans MSCR) sans augmenter excessivement la rigidité aux basses températures. L’efficacité de la modification par polymères dépend de la compatibilité entre le polymère et la chimie du liant de base, les liants avec une teneur aromatique insuffisante ne peuvent pas correctement gonfler le polymère, résultant en une modification médiocre et une séparation de phase potentielle.
Le vieillissement oxydatif, simulé par les essais RTFO et PAV, affecte principalement la composition chimique du liant. Pendant le vieillissement, les composés aromatiques polaires s’oxydent pour former des asphaltènes supplémentaires par la formation de groupes fonctionnels carbonyle (C=O) et sulfoxyde (S=O). Cet enrichissement en asphaltènes augmente le G* du liant (le durcit), réduit l’angle de phase (le rend plus élastique) et finalement fragilise le liant au point où la fissuration par fatigue ou thermique devient inévitable. Le taux de vieillissement oxydatif est mesuré par l’indice carbonyle à partir de la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Les liants avec des taux de vieillissement élevés (croissance carbonyle élevée par unité de temps) atteindront leur point de fragilisation plus rapidement sur le terrain, nécessitant soit un grade PG de départ plus mou, soit l’utilisation d’additifs anti-vieillissement.
La relation composition chimique, propriétés physiques explique pourquoi deux liants avec le même grade de pénétration ou le même grade PG peuvent performer différemment sur le terrain. Les liants de sources de brut paraffiniques (par exemple, Arabian Light, West Texas Intermediate) ont une susceptibilité à la température différente des liants de sources de brut naphténiques (par exemple, Boscan vénézuélien, bruts côtiers californiens), même lorsqu’ils sont classés de manière identique. C’est la limitation fondamentale de tous les systèmes de classement empiriques et la raison pour laquelle le système PG, qui teste les liants aux températures de service réelles pertinentes pour le projet, fournit une prédiction de performance supérieure, indépendamment de l’origine chimique du liant.
Précision et biais des essais de liant
Comprendre la précision (répétabilité et reproductibilité) des résultats d’essais de liant est essentiel pour le contrôle qualité et les décisions d’acceptation. Tous les essais de liant normalisés incluent des déclarations de précision développées à travers des programmes d’essais interlaboratoires.
| Essai | Norme | Répétabilité (d2s) | Reproductibilité (d2s) | Unités |
|---|---|---|---|---|
| Pénétration (25°C) | ASTM D5 | 4% de la moyenne | 11% de la moyenne | dmm |
| Point de ramollissement | ASTM D36 | 1,0°C | 2,0°C | °C |
| Viscosité rotationnelle | AASHTO T 316 | 4,5% de la moyenne | 10,5% de la moyenne | Pa·s |
| DSR G*/sin δ | AASHTO T 315 | 12% de la moyenne | 28% de la moyenne | kPa |
| DSR G*× sin δ | AASHTO T 315 | 14% de la moyenne | 32% de la moyenne | kPa |
| BBR S (rigidité au fluage) | AASHTO T 313 | 5,5% de la moyenne | 12,5% de la moyenne | MPa |
| BBR valeur m | AASHTO T 313 | 0,019 | 0,042 | – |
| MSCR Jnr3.2 | AASHTO T 350 | 9,5% de la moyenne | 22% de la moyenne | kPa⁻¹ |
| Perte de masse RTFO | AASHTO T 240 | 0,15% | 0,35% | % |
La répétabilité (d2s), la différence entre deux résultats d’essai obtenus par le même opérateur utilisant le même équipement, ne doit pas dépasser la valeur déclarée dans plus de 5% des cas. La reproductibilité (d2s), la différence entre deux résultats d’essai obtenus par des opérateurs différents dans des laboratoires différents, ne doit pas dépasser la valeur déclarée dans plus de 5% des cas.
Ces valeurs de précision ont des implications pratiques importantes. Pour la vérification du grade de liant PG selon AASHTO R 29, l’exigence d’orniérage DSR de G*/sin δ ≥ 2,20 kPa sur résidu RTFO a une reproductibilité de 28%. Cela signifie qu’un liant avec une valeur réelle de 2,50 kPa pourrait être rapporté aussi bas que 1,80 kPa (échec) ou aussi haut que 3,20 kPa (réussite) par différents laboratoires. Cette dispersion est la raison pour laquelle la vérification du grade PG nécessite typiquement des essais en double et une évaluation consensuelle. Pour les matériaux limites, des essais répétés supplémentaires et une analyse statistique sont essentiels pour éviter une acceptation ou un rejet incorrect.
La susceptibilité au cisaillement des résultats d’essais de liant affecte également la précision. Les liants fortement sensibles au cisaillement (la viscosité diminue significativement avec l’augmentation du taux de cisaillement) peuvent montrer des résultats différents selon la configuration spécifique du DSR ou du viscosimètre. Les liants modifiés aux polymères sont particulièrement susceptibles à cet effet parce que le réseau polymère est perturbé à des taux de cisaillement élevés. L’utilisation de modes d’essai DSR à déformation contrôlée versus à contrainte contrôlée peut produire des résultats différents pour les liants modifiés, un facteur qui doit être considéré lors de la comparaison des résultats entre laboratoires utilisant différents équipements DSR.
Conclusion : Le rôle des essais de liant dans l’ingénierie des chaussées
Les essais sur ciment asphaltique et liant fournissent le lien essentiel entre la sélection des matériaux et la performance des chaussées. L’évolution des essais empiriques (pénétration, point de ramollissement) à la caractérisation rhéologique (DSR, BBR, MSCR) et la simulation du vieillissement (RTFO, PAV) a transformé la capacité des ingénieurs de chaussées à sélectionner des liants qui performeront dans les conditions climatiques et de trafic spécifiques de chaque projet.
Pour le professionnel de l’inspection des chaussées et de l’évaluation de la condition, comprendre les résultats d’essais de liant permet : le diagnostic correct des schémas de dégradation observés, l’orniérage pointe vers un grade à haute température inadéquat ou une augmentation de trafic insuffisante, la fissuration thermique pointe vers un grade à basse température inadéquat, et la fissuration par fatigue pointe vers une rigidité excessive aux températures intermédiaires, la vérification de la conformité des matériaux, comparer les résultats d’essais du liant livré aux spécifications du projet et identifier les écarts qui expliquent les défaillances prématurées, l’évaluation forensique, tester le liant recouvré de carottes de terrain (en utilisant la recouvration Abson selon ASTM D1856 ou la recouvration par évaporateur rotatif selon ASTM D5404) pour déterminer si les propriétés du liant en place correspondent au grade spécifié ou si un vieillissement excessif s’est produit, et la planification de la préservation des chaussées, prédire la vie de service résiduelle en fonction du taux de vieillissement du liant et sélectionner les traitements d’entretien appropriés.
La spécification de liant PG, que ce soit AASHTO M 320 (basée sur DSR) ou AASHTO M 332 (basée sur MSCR), représente l’état de l’art actuel dans la caractérisation des liants. Les ingénieurs, inspecteurs et spécialistes des matériaux qui comprennent les principes, les procédures et l’interprétation des essais de liant sont équipés pour prendre des décisions éclairées qui impactent directement la performance des chaussées, la sécurité et les coûts de cycle de vie.
Foire aux questions
- Quelle est la différence entre le ciment asphaltique, le liant asphaltique et le bitume ?
- Le ciment asphaltique (aussi appelé liant asphaltique en Amérique du Nord ou bitume en Europe et dans la plupart des contextes internationaux selon EN 12591) est le matériau cimentaire brun foncé à noir obtenu du raffinage du pétrole par distillation sous vide du pétrole brut. C'est le constituant qui lie les particules de granulats entre elles dans le béton asphaltique. Dans la pratique nord-américaine, le terme ciment asphaltique désigne généralement le liant de base non modifié avant toute modification par polymères ou additifs. Le liant asphaltique est le terme plus large englobant à la fois les liants non modifiés et modifiés (polymères, caoutchouc, chimiques) réglementés sous des spécifications comme AASHTO M 320. Le terme bitume est utilisé internationalement et dans les documents de l'OACI, chimiquement identique au ciment asphaltique, et est classifié par grade de pénétration selon EN 12591. Les trois termes se réfèrent essentiellement au même matériau produit à partir du résidu de distillation sous vide du pétrole brut.
- Quels essais sont inclus dans un programme standard d'essais sur liant asphaltique ?
- Un programme standard d'essais sur liant asphaltique inclut des essais sur trois âges du liant : (1) Liant original (non vieilli), point d'éclair (AASHTO T 48), viscosité rotationnelle (AASHTO T 316) et rhéomètre à cisaillement dynamique (AASHTO T 315) pour G*/sin δ, (2) Résidu vieilli RTFO (AASHTO T 240), perte de masse et DSR pour G*/sin δ, et (3) Résidu vieilli PAV (AASHTO R 28), DSR pour G*×sin δ et BBR (AASHTO T 313) pour la rigidité au fluage et la valeur m. Pour le classement AASHTO M 332, l'essai MSCR (AASHTO T 350) sur résidu RTFO remplace l'exigence DSR d'orniérage. Des essais supplémentaires incluent la pénétration (AASHTO T 49) pour les spécifications plus anciennes, le point de ramollissement (AASHTO T 53), la ductilité (AASHTO T 51) et le recouvrement élastique (AASHTO T 301) pour les liants modifiés aux polymères.
- Comment l'essai au four à film mince rotatif (RTFO) simule-t-il le vieillissement à court terme ?
- L'essai au four à film mince rotatif (RTFO) selon AASHTO T 240 simule le vieillissement à court terme en plaçant 35 g de liant asphaltique dans une bouteille en verre cylindrique (64 mm de diamètre, 140 mm de longueur) et en la faisant tourner à 15 RPM dans un four à convection à 163°C avec un jet d'air de 4000 mL/min pendant 85 minutes. La rotation crée un film mince de liant sur la paroi intérieure de la bouteille, maximisant la surface d'exposition à la chaleur et à l'air. Cela simule le vieillissement oxydatif qui se produit pendant la production d'enrobé bitumineux à chaud (malaxage à 160-180°C), le transport et la mise en place, environ 2 à 4 heures. La perte de masse est mesurée, et le résidu est utilisé pour les essais de vieillissement à court terme, y compris l'évaluation DSR d'orniérage et MSCR.
- Qu'est-ce que l'essai à l'enceinte de vieillissement sous pression (PAV) et que simule-t-il ?
- L'essai à l'enceinte de vieillissement sous pression (PAV) selon AASHTO R 28 simule 5 à 10 ans de vieillissement oxydatif en service du liant asphaltique. Le résidu vieilli RTFO (déjà vieilli à court terme) est placé dans des plateaux en acier inoxydable à l'intérieur d'une enceinte pressurisée à 2,07 MPa (300 psi) et à une température de 90°C à 110°C (généralement 100°C pour les grades PG standard, 110°C pour les grades PG 76 et plus) pendant 20 heures. La haute pression accélère la diffusion de l'oxygène dans le film de liant, produisant un résidu vieilli équivalent à des années de vieillissement sur le terrain. Après le vieillissement PAV, le résidu doit être dégazé sous vide (à 170°C pour les grades standard) pour éliminer les bulles d'air piégées avant les essais. Le résidu est utilisé pour l'évaluation de la fissuration par fatigue (DSR G*×sin δ) et l'évaluation de la fissuration à basse température (BBR).
- Que mesure le rhéomètre à cisaillement dynamique (DSR) dans les liants asphaltiques ?
- Le rhéomètre à cisaillement dynamique (DSR) selon AASHTO T 315 mesure les propriétés viscoélastiques du liant asphaltique en appliquant une contrainte de cisaillement oscillatoire à un échantillon mince de liant entre des plateaux parallèles à 10 radians/seconde (≈1,59 Hz, simulant un chargement de trafic à 55 mph). Le DSR mesure deux paramètres fondamentaux : le module de cisaillement complexe (G*) représentant la résistance totale à la déformation sous cisaillement, et l'angle de phase (δ) représentant le décalage temporel entre la contrainte et la déformation, indiquant l'équilibre viscoélastique. Pour la résistance à l'orniérage, G*/sin δ doit être ≥ 1,00 kPa sur le liant original et ≥ 2,20 kPa sur le liant vieilli RTFO. Pour la résistance à la fatigue, G*×sin δ doit être ≤ 5000 kPa sur le liant vieilli PAV à la température intermédiaire de la chaussée.
- Qu'est-ce que l'essai au rhéomètre à poutre en flexion (BBR) et pourquoi est-il important ?
- L'essai au rhéomètre à poutre en flexion (BBR) selon AASHTO T 313 évalue la résistance d'un liant asphaltique à la fissuration à basse température (thermique). Une poutre de liant vieilli PAV (127 mm × 12,7 mm × 6,35 mm) est placée dans un bain de fluide à température contrôlée à la température de conception basse de la chaussée plus 10°C et soumise à une charge de fluage constante de 100 g (980 mN) au point médian sur une portée simple de 102 mm pendant 240 secondes. Deux paramètres sont mesurés après 60 secondes : la rigidité au fluage (S(60)), le rapport contrainte/déformation, doit être ≤ 300 MPa, et la valeur m, la pente absolue de la courbe log rigidité versus log temps, doit être ≥ 0,300. La valeur m est critique car elle mesure la capacité du liant à relaxer les contraintes thermiques lorsqu'elles s'accumulent pendant le refroidissement, une valeur m faible signifie que le liant ne peut pas relaxer les contraintes assez rapidement, conduisant à la fissuration thermique même si la rigidité est acceptable.
- Quelles sont les spécifications typiques de grade de pénétration et leurs équivalents PG ?
- Le grade de pénétration (AASHTO M 20) classifie les liants par la profondeur qu'une aiguille standard pénètre à 25°C en dixièmes de millimètre. Les grades courants incluent : 40/50 (pénétration 40-49 dmm), approximativement équivalent à PG 70-22 ou PG 76-22, 60/70 (60-69 dmm), approximativement PG 64-22, 80/100 (80-99 dmm), approximativement PG 58-28, et 120/150 (120-149 dmm), approximativement PG 52-34. Ces équivalences sont approximatives seulement, les grades PG sont basés sur la performance et dépendent de la source réelle du brut et du type de modifiant, tandis que le classement par pénétration est purement empirique à 25°C. De nombreuses spécifications internationales (EN 12591) utilisent encore le classement par pénétration, tandis que l'Amérique du Nord a largement converti au classement PG pour les nouvelles constructions.
- Comment l'essai de fluage et recouvrement à contraintes multiples (MSCR) améliore-t-il l'évaluation de l'orniérage ?
- L'essai de fluage et recouvrement à contraintes multiples (MSCR) selon AASHTO T 350 répond à une limitation critique de l'essai DSR G*/sin δ : il n'évalue pas précisément les liants modifiés aux polymères en raison du durcissement stérique, un raidissement moléculaire réversible qui gonfle les valeurs de G*/sin δ. L'essai MSCR applique des charges de fluage de 1 seconde suivies de périodes de recouvrement de 9 secondes, 10 cycles à 0,1 kPa et 10 cycles à 3,2 kPa, en utilisant l'équipement DSR. La compliance de fluage non récupérable (Jnr3.2) est une mesure directe du potentiel de déformation permanente : un Jnr plus faible = meilleure résistance à l'orniérage. Le pourcentage de recouvrement (%R) identifie la composante élastique de la modification par polymères. AASHTO M 332 utilise des limites Jnr3.2 de 4,5 (Standard), 2,0 (Lourd), 1,0 (Très lourd) et 0,5 (Extrême) kPa⁻¹, remplaçant l'augmentation de grade.
- Comment les spécifications de liant des chaussées aéroportuaires de la FAA diffèrent-elles des spécifications routières ?
- La spécification FAA P-401 (AC 150/5370-10H) intègre les essais de liant en grade de performance (PG) selon ASTM D6373 pour les chaussées aéroportuaires, avec des différences clés par rapport à la pratique routière : (1) La sélection du grade utilise les mêmes données climatiques LTPP Bind mais à 98% de fiabilité pour les aéroports commerciaux, (2) L'augmentation de grade tient compte des pressions de pneus d'aéronefs de 100-250 psi contre 100-120 psi pour les camions routiers, (3) Des essais PG Plus sont requis pour les liants avec des écarts de température ≥ 92°C (par exemple, PG 76-22), (4) Les enrobés aéroportuaires exigent des essais à roue chargée (APA selon AASHTO T 340) à 250 psi de pression de tuyau, (5) Des liants résistants au carburant sont requis près des positions de ravitaillement, et (6) L'Annexe 14 de l'OACI référence les normes ASTM et FAA pour la sélection des liants des chaussées aéroportuaires internationales.