Méthode de formulation Marshall pour les chaussées en enrobé bitumineux

Qu’est-ce que la méthode de formulation Marshall ?

La méthode de formulation Marshall est une procédure de laboratoire empirique pour la conception d’enrobés bitumineux à chaud (HMA) qui détermine la teneur optimale en liant bitumineux en évaluant des éprouvettes cylindriques compactées pour leurs caractéristiques de stabilité (résistance maximale à la charge) et de fluage (déformation). Développée par Bruce G. Marshall du Mississippi Highway Department en 1939, la méthode a ensuite été perfectionnée par le Corps des ingénieurs de l’armée américaine (USACE) à la Waterways Experiment Station (WES) à Vicksburg, Mississippi, au cours des années 1940 et 1950 pour la conception des chaussées d’aérodromes militaires. Aujourd’hui, la méthode Marshall est utilisée d’une manière ou d’une autre par environ 38 États américains et reste la procédure de formulation d’enrobé la plus employée dans le monde, en particulier dans les pays en développement, en raison de sa simplicité, de sa portabilité et du faible coût de son équipement.

La méthode Marshall est fondamentalement un processus d’optimisation qui équilibre les exigences concurrentes de résistance, de flexibilité, de durabilité et d’ouvrabilité dans un mélange bitumineux. Le principe de base consiste à préparer plusieurs mélanges d’essai à différentes teneurs en liant bitumineux (généralement par incréments de 0,5 %), à les compacter dans des conditions normalisées, à les soumettre à une charge contrôlée jusqu’à la rupture, et à effectuer une analyse volumétrique détaillée pour identifier la teneur en liant qui produit un mélange satisfaisant à tous les critères spécifiés. Ces critères comprennent la stabilité Marshall (mesurée en kN ou en lb), le fluage Marshall (mesuré en mm ou par incréments de 0,01 po), les vides d’air (Va), les vides dans le granulat minéral (VMA) et les vides remplis de bitume (VFA).

Les principales références régissant la méthode Marshall comprennent la norme AASHTO T 245 (Résistance à l’écoulement plastique des mélanges bitumineux à l’aide de l’appareil Marshall), la norme ASTM D6927 (Méthode d’essai normalisée pour la stabilité et le fluage Marshall des mélanges bitumineux) et le Manuel MS-2 de l’Asphalt Institute (Méthodes de formulation des enrobés). De plus, la méthode est référencée dans la norme ASTM D6926 (Pratique normalisée pour la préparation d’éprouvettes de mélange bitumineux à l’aide de l’appareil Marshall) pour la préparation des éprouvettes. Pour les applications aéroportuaires, la circulaire consultative FAA AC 150/5370-10H (Article P-401) spécifie les critères Marshall pour les chaussées bitumineuses préparées en centrale sur les aérodromes.

1. Historique et développement de la méthode Marshall

Origines au Mississippi Highway Department (1939)

Bruce G. Marshall a développé l’appareil d’essai de stabilité original en 1939 alors qu’il travaillait comme ingénieur bitumineux au Mississippi State Highway Department. L’équipement a été conçu pour être un essai de terrain simple et rapide permettant d’évaluer la qualité des mélanges de béton bitumineux mis en œuvre sur les routes du Mississippi. L’appareil original de Marshall était constitué d’un montage de chargement pouvant être adapté sur les équipements existants d’essai de portance californien (CBR) — un choix de conception stratégique qui exploitait les équipements déjà disponibles dans la plupart des laboratoires routiers. L’essai original ne mesurait que la résistance à la charge maximale (stabilité) des éprouvettes compactées, sans aucune mesure de déformation.

Perfectionnement par le Corps des ingénieurs de l’armée américaine (1943–1955)

En 1943, pendant la Seconde Guerre mondiale, le Corps des ingénieurs de l’armée américaine a entrepris une évaluation systématique des méthodes de formulation d’enrobé disponibles à la Waterways Experiment Station (WES) à Vicksburg, Mississippi. La motivation était urgente : les avions militaires augmentaient rapidement en taille, en charge de roue et en pression de pneu, nécessitant des chaussées aéronautiques plus résistantes et plus fiables. Les avions militaires de première génération comme le B-17 Flying Fortress imposaient des charges de roue d’environ 15 000 lb (66,7 kN), tandis que le B-29 Superfortress poussait les charges vers 30 000 lb (133,4 kN) — nécessitant des chaussées bien au-delà des normes de construction routière existantes.

L’USACE a examiné plusieurs méthodes de formulation, notamment la méthode au stabilomètre Hveem (développée en Californie) et diverses approches empiriques. Le Corps a choisi la méthode Marshall pour adoption car elle satisfaisait à quatre exigences critiques :

1. Répartition des contraintes sur toute l’éprouvette : Les têtes de chargement incurvées sollicitaient toute la section transversale de l’éprouvette, plutôt qu’une partie localisée.
2. Capacité d’essai rapide : Un cycle d’essai complet pouvait être effectué en quelques minutes, permettant un rendement élevé en laboratoire.
3. Appareil compact et portable : L’ensemble du dispositif pouvait être transporté dans des laboratoires de chantier.
4. Simulation de la densité de chantier : Le mouton à impact produisait des densités compactées raisonnablement proches de celles obtenues par les compacteurs de chantier, en particulier pour les équipements de compactage de l’époque.

L’ajout de la mesure du fluage (1945)

Le perfectionnement le plus significatif de la méthode originale de Marshall est venu de la Waterways Experiment Station de l’USACE, qui a ajouté une capacité de mesure de la déformation (fluage) à l’essai. Le fluage-mètre — généralement un comparateur à cadran ou un capteur de déplacement linéaire variable (LVDT) — mesure la déformation verticale de l’éprouvette au point de charge maximale. Le Corps a estimé qu’un mélange avec une stabilité adéquate mais une déformation excessive sous charge serait sujet à l’orniérage et au déplacement en service. Inversement, un mélange avec une faible déformation (rigide) mais une faible stabilité pourrait être cassant et sujet à la fissuration. La mesure du fluage a ainsi fourni un contrôle essentiel contre les teneurs excessivement élevées en bitume qui produiraient un mélange mou et instable.

Validation expérimentale de la WES (1948–1955)

Tout au long de la fin des années 1940 et du début des années 1950, la WES a mené des études approfondies de validation sur le terrain, corrélant les résultats des essais Marshall avec les performances réelles des chaussées. Ces études ont examiné des variables incluant le type et la granulométrie des granulats, la source et le grade du liant bitumineux, l’effort de compactage et les conditions climatiques. Le Corps a établi les niveaux de compactage désormais standard de 35, 50 et 75 coups par face, correspondant respectivement aux classifications de trafic léger, moyen et lourd. Ils ont également développé les premiers tableaux complets de critères de formulation Marshall spécifiant les exigences minimales de stabilité, les plages de fluage et les exigences de vides d’air pour différents niveaux de trafic.

Diffusion et adoption mondiales

Après la Seconde Guerre mondiale, la méthode Marshall s’est répandue dans le monde entier par plusieurs canaux : les manuels techniques de l’USACE distribués aux nations alliées, le manuel MS-2 de l’Asphalt Institute (publié pour la première fois dans les années 1950 et mis à jour périodiquement), et l’inclusion de la méthode dans les documents d’orientation de l’Organisation de l’aviation civile internationale (OACI) pour la conception des chaussées aéroportuaires. Dans les années 1970, la méthode Marshall était devenue la procédure dominante de formulation d’enrobé en Amérique du Nord, en Europe, en Asie, en Afrique et en Australasie.

2. Compactage Marshall : Équipement et procédures

Le mouton de compactage Marshall

Le mouton Marshall est le dispositif de compactage central, conçu pour simuler l’action de malaxage et de densification des compacteurs de chantier sur une chaussée en enrobé. Les spécifications clés comprennent :

Deux types de moutons Marshall sont disponibles : les moutons manuels où l’opérateur soulève et relâche le poids coulissant à la hauteur de chute spécifiée, et les moutons automatiques (actionnés électriquement ou pneumatiquement) qui assurent une fréquence de coups et une hauteur de chute constantes. Les moutons automatiques sont généralement préférés car ils réduisent la variabilité due à l’opérateur et améliorent la reproductibilité des essais. Les compacteurs Marshall automatiques modernes peuvent atteindre des fréquences de coups d’environ 60 coups par minute avec un apport d’énergie constant.

Niveaux de compactage par classification de trafic

Le nombre de coups appliqués à chaque extrémité de l’éprouvette est déterminé par la charge de trafic anticipée. Les niveaux de compactage standard selon AASHTO T 245 et le manuel MS-2 de l’Asphalt Institute sont :

Pour les chaussées aéroportuaires, la spécification FAA P-401 exige généralement 75 coups par face pour toutes les couches de surface et les couches de liaison, reflétant les charges extrêmes imposées par les opérations aériennes. Certaines spécifications internationales pour les chaussées aéroportuaires exigent jusqu’à 112 coups par face dans les procédures Marshall modifiées pour les mélanges à gros granulats (jusqu’à 38 mm de taille nominale maximale).

Procédure de préparation des éprouvettes

La séquence standard de préparation des éprouvettes Marshall selon ASTM D6926 comprend :

1. Préparation des granulats : Les granulats sont séchés jusqu’à masse constante à 105–110 °C (221–230 °F) et tamisés en fractions granulométriques individuelles. Ils sont ensuite recombinés selon la granulométrie de formulation.

2. Chauffage : Les granulats sont chauffés à la température de malaxage, généralement 160–177 °C (320–350 °F) pour les liants conventionnels. Le liant bitumineux est chauffé à la température de malaxage spécifiée, généralement 150–163 °C (302–325 °F). La relation température-viscosité du liant est utilisée pour déterminer les températures exactes de malaxage et de compactage, visant une viscosité de 170 ± 20 cSt pour le malaxage et de 280 ± 30 cSt pour le compactage.

3. Malaxage : Les granulats chauffés et le liant sont soigneusement mélangés dans un malaxeur mécanique (ou à la main pour de petits lots) jusqu’à ce que toutes les particules de granulats soient uniformément enrobées — généralement 90 à 120 secondes de malaxage.

4. Moulage : Le mélange est placé dans un ensemble de moule Marshall préchauffé (cylindre du moule, collier et plaque de base) à l’aide d’une spatule ou d’une cuillère chauffée. Des disques de papier filtre sont placés en haut et en bas. Le mélange est piqueté 15 fois autour du périmètre et 10 fois au centre.

5. Compactage : L’ensemble du moule est placé sur le socle de compactage. Le nombre spécifié de coups est appliqué sur une face, l’éprouvette est tournée à 180°, et le même nombre de coups est appliqué sur la face opposée.

6. Extraction et refroidissement : Après compactage, l’éprouvette est laissée refroidir. L’ensemble du moule est ensuite placé dans un extracteur pour extraire l’éprouvette compactée. Les éprouvettes sont stockées à température ambiante jusqu’à l’essai.

Procédure Marshall modifiée pour les gros granulats

Lorsque la taille nominale maximale des granulats dépasse 26,5 mm (1,0 po), une procédure Marshall modifiée utilisant des éprouvettes de 152,4 mm (6,0 po) de diamètre est nécessaire. Les principales modifications selon ASTM D5581 comprennent :

3. Essais de stabilité et de fluage Marshall

Principes fondamentaux de l’essai

L’essai de stabilité Marshall (ASTM D6927 / AASHTO T 245) mesure la charge maximale qu’une éprouvette d’enrobé compactée peut supporter à une température d’essai standard de 60 °C (140 °F) — représentant le cas le plus défavorable de température estivale de la chaussée dans la plupart des climats. L’éprouvette est conditionnée dans un bain-marie à 60 °C ± 1 °C pendant 30 à 40 minutes avant l’essai, garantissant que toutes les éprouvettes atteignent une température uniforme dans toute la section transversale.

Appareil d’essai

Le système d’essai Marshall se compose de :

• Bâti de charge : Une machine de compression mécanique ou hydraulique capable d’appliquer une charge à une vitesse constante de 50,8 mm/min (2,0 po/min) avec une précision de ±2 %.
• Tête de rupture : Deux mors de chargement en acier incurvés, chacun avec un rayon de courbure de 50,8 mm (2,0 po), qui soutiennent l’éprouvette cylindrique. Les têtes supérieure et inférieure sont munies de tiges de guidage pour maintenir l’alignement pendant le chargement.
• Mesure de la charge : Un anneau dynamométrique, une cellule de charge ou un capteur électronique étalonné pour mesurer la charge avec une précision de 1 %, généralement avec une capacité de 25 à 50 kN (5 600 à 11 200 lb).
• Mesure du fluage : Un comparateur à cadran ou un LVDT monté sur la tête de rupture, mesurant la déformation verticale par incréments de 0,25 mm (0,01 po).

Procédure d’essai

1. L’éprouvette conditionnée est retirée du bain-marie à 60 °C et séchée en surface avec un chiffon humide.
2. L’éprouvette est centrée dans la tête de rupture Marshall entre les mors de chargement supérieur et inférieur.
3. L’ensemble tête de rupture et éprouvette est positionné dans le bâti de charge.
4. Le fluage-mètre est positionné et mis à zéro sur l’éprouvette.
5. La charge est appliquée à une vitesse constante de 50,8 mm/min (2,0 po/min).
6. La charge maximale (stabilité) et la déformation correspondante (fluage) sont enregistrées simultanément.
7. Le chargement se poursuit jusqu’à ce que la charge diminue notablement, confirmant le point de rupture.

Interprétation des résultats de stabilité et de fluage

La stabilité Marshall est enregistrée en kN (ou en lb) et représente la résistance à la charge de pointe du mélange. Des valeurs de stabilité plus élevées indiquent généralement des mélanges plus rigides avec une meilleure résistance à l’orniérage et à la déformation, mais une stabilité excessivement élevée peut indiquer un mélange trop cassant et sujet à la fissuration sous contrainte thermique ou de fatigue.

Le fluage Marshall est enregistré en mm (ou par incréments de 0,25 mm) et représente la déformation plastique de l’éprouvette à la rupture. Des valeurs de fluage plus élevées indiquent une plus grande flexibilité mais peuvent signaler une teneur en liant excessivement riche pouvant conduire à l’orniérage. Des valeurs de fluage plus faibles indiquent un mélange rigide, possiblement sous-dosé en bitume, qui peut se fissurer sous charge.

Le quotient Marshall (stabilité divisée par le fluage, exprimé en kN/mm) est parfois utilisé comme indicateur de rigidité. Le MoRTH (Inde) spécifie une plage de quotient Marshall de 2,5 à 5,0 kN/mm pour les enrobés bitumineux denses (DBM) et les bétons bitumineux (BC).

Critères de formulation Marshall typiques

Source : Asphalt Institute MS-2, 6e édition

4. Analyse volumétrique dans la formulation Marshall

Mesures de densité

La détermination précise de la densité est le fondement de l’analyse volumétrique Marshall. Deux valeurs de densité spécifique sont essentielles :

Masse volumique apparente (Gmb) des éprouvettes compactées déterminée selon ASTM D2726 / AASHTO T 166 à l’aide de la méthode de la surface saturée sèche (SSD) :

• Gmb = Masse sèche / (Masse SSD − Masse immergée)

Pour les éprouvettes à forte absorption (supérieure à 2 %), des méthodes alternatives (ASTM D1188 méthode à la paraffine ou ASTM D6752 méthode d’étanchéité sous vide) sont nécessaires.

Masse volumique maximale théorique (Gmm) du mélange bitumineux en vrac est déterminée selon ASTM D2041 / AASHTO T 209 (essai Rice), où le mélange en vrac, non compacté, est saturé sous vide pour éliminer l’air emprisonné, permettant de calculer la densité du mélange avec zéro vide d’air.

Vides d’air (Va)

Les vides d’air, également appelés vides dans le mélange total (VTM), représentent les petits espaces d’air entre les particules de granulats enrobées dans le mélange compacté. Calcul :

Va = [1 − (Gmb / Gmm)] × 100 %

Les cibles de vides d’air de formulation sont généralement de 4,0 % (avec une plage acceptable de 3 à 5 %), représentant la teneur en vides immédiatement après la construction. Au fil du temps, le compactage par le trafic réduit les vides d’air à 2–3 %, ce que l’on appelle l’état des vides en service. Le maintien de vides d’air adéquats est essentiel car :

• Trop faibles (< 3 %) : Provoque le ressuage, le remontée de bitume et l’orniérage lorsque le liant se dilate dans l’espace de vide réduit sous l’effet du trafic
• Trop élevés (> 8 %) : Permet une infiltration excessive d’eau et d’oxygène, accélérant le vieillissement oxydatif, les dommages par l’humidité et le désenrobage

La cible de vides d’air de formulation de 4 % offre un équilibre entre la prévention du ressuage du liant et le maintien d’une durabilité adéquate sur la durée de vie de la chaussée.

Vides dans le granulat minéral (VMA)

Le VMA représente l’espace vide intergranulaire entre les particules de granulats dans un mélange compacté, incluant l’espace occupé par le liant bitumineux et les vides d’air. Le VMA est calculé comme suit :

VMA = 100 − [(Gmb × Ps) / Gsb]

Où :

• Gmb = masse volumique apparente du mélange compacté
• Ps = teneur en granulats, pourcentage par poids total du mélange
• Gsb = masse volumique apparente du granulat total

Les exigences minimales de VMA sont essentielles pour garantir une épaisseur de film de liant adéquate autour des particules de granulats. Un VMA insuffisant conduit à des films de liant minces qui vieillissent rapidement et produisent des chaussées cassantes et sujettes à la fissuration. Les critères minimaux de VMA de l’Asphalt Institute dépendent de la taille nominale maximale des particules (NMPS) du granulat :

Vides remplis de bitume (VFA)

Le VFA représente la partie du VMA qui est occupée par le liant bitumineux (hors bitume absorbé). Calcul :

VFA = [(VMA − Va) / VMA] × 100 %

Où :

• VMA = vides dans le granulat minéral (%)
• Va = vides d’air (%)

Le VFA indique le degré de remplissage du système de vides du granulat. Des valeurs de VFA plus élevées indiquent un VMA plus rempli de liant, produisant des mélanges plus riches et plus durables. Des valeurs de VFA plus faibles indiquent des mélanges plus maigres avec une teneur en vides d’air plus élevée. Les critères de VFA varient selon le niveau de trafic, comme indiqué dans le tableau des critères de formulation ci-dessus.

Masse volumique apparente des granulats (Gsb, Gsa, Gssd)

La détermination de la masse volumique correcte du mélange de granulats est cruciale pour un calcul précis du VMA. Trois mesures sont définies selon ASTM C127 / AASHTO T 84 :

• Masse volumique apparente (Gsb) : Inclut tout le volume de vides perméables dans les particules de granulats — utilisée dans le calcul du VMA
• Masse volumique à surface saturée sèche (Gsa) : Inclut les vides perméables remplis d’eau — utilisée dans le calcul de l’absorption
• Masse volumique réelle (Gssd) : Exclut tous les vides perméables — utilisée pour les calculs de densité maximale théorique

5. Détermination de la teneur optimale en liant

Préparation des mélanges d’essai

La méthode Marshall nécessite généralement cinq teneurs en bitume d’essai par incréments de 0,5 %, la valeur médiane représentant la teneur optimale estimée en liant. Pour chaque teneur d’essai, trois éprouvettes de réplication sont préparées (15 éprouvettes au total). La plage d’essai doit s’étendre d’au moins 1,0 % au-dessus et en dessous de la teneur optimale estimée pour établir des tendances claires dans les courbes résultantes.

Analyse graphique

Après que toutes les éprouvettes ont été testées, six graphiques sont tracés avec la teneur en bitume sur l’axe des abscisses :

1. Teneur en bitume vs. densité : La densité augmente généralement avec la teneur en bitume, atteint un pic (densité maximale), puis diminue lorsque l’excès de liant écarte les particules de granulats. La densité de pointe se produit généralement à une teneur en liant plus élevée que la stabilité de pointe.

2. Teneur en bitume vs. stabilité Marshall : La stabilité augmente généralement avec la teneur en bitume jusqu’à un pic, puis diminue. Deux comportements sont possibles : un pic bien défini (la plupart des mélanges vierges) ou une diminution monotone sans pic (certains mélanges recyclés).

3. Teneur en bitume vs. fluage : Le fluage augmente régulièrement avec l’augmentation de la teneur en bitume, car le film de liant s’épaissit et le mélange devient plus flexible.

4. Teneur en bitume vs. vides d’air : Les vides d’air diminuent linéairement avec l’augmentation de la teneur en bitume, car le liant remplit l’espace vide entre les particules de granulats.

5. Teneur en bitume vs. VMA : Le VMA diminue avec l’augmentation de la teneur en bitume, atteint un minimum, puis augmente. Le point de VMA minimum correspond approximativement au point où l’excès de liant commence à écarter les particules.

6. Teneur en bitume vs. VFA : Le VFA augmente régulièrement avec l’augmentation de la teneur en bitume.

Procédure de sélection de la teneur optimale en liant (méthode de l’Asphalt Institute MS-2)

La procédure standard pour sélectionner la teneur optimale en bitume :

1. Déterminer la teneur en bitume à 4,0 % de vides d’air (la médiane de la spécification) en lisant le graphique des vides d’air. Il s’agit de la teneur optimale candidate en liant.

2. Vérifier cette teneur candidate par rapport à tous les autres critères :

   • La stabilité à la teneur candidate doit dépasser l’exigence minimale
   • Le fluage doit se situer dans la plage spécifiée
   • Le VMA doit dépasser le minimum pour la NMPS
   • Le VFA doit se situer dans la plage spécifiée

3. Si tous les critères sont satisfaits, la teneur optimale candidate en liant est acceptée.

4. Si un ou plusieurs critères ne sont pas satisfaits, le mélange doit être reconçu en ajustant la granulométrie, en changeant les sources de granulats, en modifiant le grade du liant ou en modifiant le niveau de compactage de formulation.

Méthodes alternatives

Certains organismes (par exemple, le MoRTH en Inde) utilisent une approche alternative : calculer la teneur en liant correspondant à :

• La stabilité maximale
• La densité maximale
• 4 % de vides d’air

La teneur optimale en liant (OBC) est ensuite la moyenne de ces trois valeurs. Cette méthode produit des résultats légèrement différents de l’approche de l’Asphalt Institute et est courante dans les spécifications dérivées des normes britanniques.

6. Formulation Marshall pour les chaussées aéroportuaires

Exigences FAA et OACI

La méthode Marshall est explicitement référencée dans la circulaire consultative FAA AC 150/5370-10H (Spécifications standard pour la construction des aéroports) sous l’article P-401 (Chaussées bitumineuses préparées en centrale). La FAA spécifie des critères de formulation Marshall spécialement adaptés aux chaussées aéroportuaires :

La littérature de recherche provenant des directives de l’OACI sur la conception et l’évaluation des chaussées aéroportuaires confirme que la méthode de formulation Marshall est l’approche privilégiée pour la formulation des enrobés de pistes selon les spécifications de la FAA et de l’OACI. Le Manuel de conception des aérodromes de l’OACI (Doc 9157, Partie 3 – Chaussées) fournit des directives supplémentaires sur la sélection des matériaux et les procédures d’essai pour les chaussées aéroportuaires.

Considérations spécifiques aux aéroports

Les chaussées aéroportuaires diffèrent des chaussées routières à plusieurs égards critiques qui influencent la formulation Marshall :

Charges de roue extrêmes : Les aéronefs comme le Boeing 747-400 ou l’Airbus A380 imposent des charges de roue allant jusqu’à 22 500 kg (49 600 lb) par roue — dépassant de loin les charges légales routières. Les configurations de roues multiples (par exemple, bogies à 4 roues, tandem triple double à 6 roues) créent des répartitions de contraintes complexes.

Résistance chimique : Les chaussées aéroportuaires doivent résister aux attaques du carburéacteur (kérosène), des fluides hydrauliques (Skydrol) et des produits de dégivrage (glycols, acétate de potassium). Les liants modifiés aux polymères (PMB) sont désormais standard pour les pistes principales et les aires de trafic. La méthode Marshall peut prendre en compte l’évaluation des PMB, bien que les critères empiriques de stabilité-fluage puissent nécessiter une modification pour les liants hautement modifiés.

Exigences de friction de surface : Les pistes d’aéroport nécessitent une macrotexture et une microtexture spécifiques pour le freinage sur chaussée humide. La méthode Marshall ne traite pas directement les caractéristiques de friction de surface, des essais complémentaires (par exemple, l’indice de pendule britannique, la profondeur de texture au sable) sont donc nécessaires.

Compatibilité avec le rainurage : Le rainurage des pistes (rainures de 6 mm × 6 mm espacées de 38 mm) est couramment appliqué pour améliorer la friction et réduire le risque d’aquaplanage. La formulation doit avoir une stabilité suffisante pour maintenir l’intégrité des rainures sous le trafic.

Critères Marshall FM 5-530 pour les aérodromes militaires

Le manuel FM 5-530 du Corps des ingénieurs de l’armée américaine fournit des critères Marshall modifiés pour les aérodromes militaires, tenant compte de la nature des charges discrètes du trafic aérien :

7. Marshall vs. Superpave : Analyse comparative

Différences fondamentales

Le système de formulation Superpave (Superior Performing Asphalt Pavements) a été développé dans le cadre du Strategic Highway Research Program (SHRP) américain de 1987 à 1993 comme un remplacement basé sur la performance de la méthode Marshall. Les principales différences comprennent :

Avantages de Superpave

1. Le compactage giratoire produit des éprouvettes avec une orientation des granulats et une structure interne plus représentatives du compactage sur chantier par les compacteurs vibrants modernes à haute fréquence.
2. Les liants de grade de performance (PG) sont sélectionnés en fonction des plages de températures spécifiques au climat, offrant une sélection de liants plus rationnelle que les grades de pénétration ou de viscosité.
3. Les propriétés consensuelles des granulats (angularité des gros granulats, angularité des granulats fins, particules plates et allongées) garantissent des squelettes granulaires robustes.
4. La conception volumétrique à N_design utilise un niveau de compactage rationnel correspondant au niveau de trafic de conception.
5. Les essais de performance facultatifs (par exemple, l’essai d’indice de fluage AASHTO T 378 pour l’orniérage, l’essai de traction indirecte AASHTO T 322 pour la fissuration) fournissent des propriétés techniques fondamentales.

Avantages de la méthode Marshall

1. Coût d’équipement inférieur : Une installation de laboratoire Marshall complète coûte considérablement moins cher qu’un compacteur giratoire Superpave et ses équipements associés.
2. Simplicité et rapidité : Les essais peuvent être effectués rapidement avec une formation minimale, ce qui les rend adaptés au contrôle qualité de routine.
3. Portabilité : L’équipement peut être transporté dans des laboratoires de chantier pour des projets sur sites éloignés.
4. Vaste base de données historiques : Des décennies de corrélation entre les résultats des essais Marshall et les performances sur le terrain dans des milliers de projets fournissent une base empirique fiable.
5. Adoption internationale étendue : La méthode Marshall est spécifiée dans les normes d’Amérique du Nord, d’Europe, d’Asie, d’Afrique et d’Australasie, garantissant une cohérence mondiale.
6. Applicabilité aux mélanges à granulométrie dense : Pour les HMA conventionnels à granulométrie dense avec une NMPS jusqu’à 25 mm, la méthode Marshall produit des formulations satisfaisantes.

Comparaison des performances

Les recherches comparant les formulations Marshall et Superpave (par exemple, les études publiées dans Construction and Building Materials, Journal of Transportation Engineering) démontrent généralement que :

• Les mélanges Superpave présentent une résistance à l’orniérage de 5 à 14 % meilleure et une résistance à la fissuration améliorée dans diverses régions climatiques.
• Les mélanges Marshall conçus selon les critères actuels offrent des performances adéquates pour les niveaux de trafic faibles à moyens (jusqu’à 10⁶ ESAL) où les corrélations empiriques sont bien établies.
• Pour les applications à trafic élevé et à charges lourdes (pistes d’aéroport, autoroutes inter-États dépassant 30 millions d’ESAL), Superpave ou les approches de formulation équilibrée (BMD) sont de plus en plus privilégiées.

8. Limites de la méthode Marshall

Nature empirique fondamentale

Les valeurs de stabilité et de fluage Marshall sont des indices empiriques, et non des propriétés techniques fondamentales. Une valeur de stabilité de 10 kN ne se traduit pas directement par un module, une résistance au cisaillement ou une durée de vie en fatigue spécifiques. Cette nature empirique signifie que la méthode repose sur une corrélation historique plutôt que sur une modélisation mécaniste de la réponse de la chaussée.

Simulation du compactage

Le mouton Marshall applique un compactage par impact vertical, qui produit une orientation des particules de granulats et une structure interne différentes du compactage par malaxage et cisaillement des compacteurs modernes à pneus, des compacteurs à rouleaux en acier et des compacteurs giratoires Superpave. Cette divergence peut conduire à :

• Une surestimation de la densité de chantier atteignable pour les mélanges rigides
• Une sous-estimation de la densité de chantier atteignable pour les mélanges mous
• Une orientation différente des granulats affectant la stabilité mesurée

Conditions d’essai limitées

L’essai Marshall évalue les éprouvettes à une seule température (60 °C) et une seule vitesse de chargement (50,8 mm/min). Cela ne permet pas de capturer :

• Le comportement à la fissuration à basse température (testé par des essais de retrait thermique sous contrainte ou des essais de flexion semi-circulaire)
• La fissuration par fatigue sous chargement répété (testée par des essais de fatigue sur poutre en flexion quatre points)
• La susceptibilité aux dommages par l’humidité (testée par le rapport de résistance à la traction selon AASHTO T 283)
• Les effets du vieillissement sur les propriétés du liant au fil du temps

Compatibilité avec les liants modifiés

Les critères de stabilité-fluage Marshall ont été développés pour les liants conventionnels non modifiés. Les liants modifiés aux polymères (PMB) modernes — incluant les modifications SBS, EVA et élastomères — présentent un comportement viscoélastique différent qui peut ne pas être correctement capturé par l’essai Marshall. Les mélanges PMB peuvent présenter :

• Des valeurs de stabilité plus élevées dépassant les critères traditionnels (nécessitant un assouplissement des limites maximales)
• Des caractéristiques de fluage différentes qui ne sont pas corrélées linéairement avec les performances sur le terrain
• Une sensibilité à la température différente de celle des liants conventionnels

Limitations pour les gros granulats

L’équipement Marshall standard (moule de 101,6 mm de diamètre) n’est adapté qu’aux granulats ayant une taille nominale maximale (NMS) jusqu’à 26,5 mm. Pour les granulats plus gros, la procédure Marshall modifiée (moule de 152,4 mm de diamètre, mouton de 22,5 lb) est nécessaire mais est moins standardisée et dispose de données de corrélation historique limitées.

Variabilité et reproductibilité

Les résultats des essais Marshall peuvent présenter une variabilité considérable en raison de :

• La technique de l’opérateur lors du compactage manuel (fréquence des coups, alignement du mouton)
• La variation de hauteur des éprouvettes (corrections nécessaires pour les hauteurs non standard)
• Le contrôle de la température pendant la préparation et le conditionnement des éprouvettes
• L’uniformité de l’enrobage des granulats

9. Critères Marshall par niveau de trafic

Tableau complet des critères de formulation

Le tableau suivant présente les critères de formulation Marshall complets, compilés à partir des spécifications de l’Asphalt Institute (MS-2), ASTM D6927, AASHTO T 245 et FAA P-401 :

Variation internationale

Les critères Marshall varient considérablement entre les pays et les organismes :

10. Contrôle qualité à l’aide des essais Marshall

Éprouvettes produites en centrale vs. mélangées en laboratoire

Les essais Marshall jouent un double rôle dans la gestion de la qualité :

1. Phase de conception (LMLC) : Les éprouvettes mélangées en laboratoire et compactées en laboratoire établissent la formule de mélange de chantier (JMF).
2. Phase de production (PMLC) : Les éprouvettes mélangées en centrale et compactées en laboratoire vérifient que le mélange produit est conforme à la JMF.

Les critères de tolérance de production selon les normes AASHTO et FAA :

Contrôle qualité statistique

Les programmes modernes de contrôle qualité appliquent le contrôle statistique des procédés (SPC) aux résultats des essais Marshall :

• Les cartes de contrôle suivent les moyennes mobiles de la stabilité, du fluage, des vides d’air et du VMA à partir d’échantillons de production successifs.
• Les limites de contrôle supérieures et inférieures (UCL/LCL) sont établies à ±3 écarts-types de la cible de la JMF.
• Les cartes d’étendue mobile détectent les changements dans la constance de la production.
• L’acceptation des lots est basée sur le pourcentage d’essais répondant aux critères de la spécification (généralement 90 % de conformité individuelle, 100 % de conformité moyenne par lot).

Analyse des défaillances

Lorsque les résultats des essais Marshall se situent en dehors des limites d’acceptation, l’investigation systématique suivante est recommandée :

1. Vérifier la teneur en liant : Jauge nucléaire QCS ou four à ignition (ASTM D6307)
2. Vérifier la granulométrie : Analyse par tamisage par voie humide sur granulats extraits
3. Vérifier le compactage : Vérifier l’étalonnage du mouton, le nombre de coups et la température
4. Vérifier le conditionnement : Vérifier la température du bain-marie et la durée d’immersion
5. Vérifier les essais : Vérifier l’étalonnage de l’anneau dynamométrique et la vitesse de chargement
6. Vérifier l’échantillonnage : Vérifier que l’échantillon est représentatif du lot de production

Fréquence des essais

Fréquences typiques des essais de contrôle qualité selon FAA P-401 et les spécifications des DOT des États américains :

Conclusion

La méthode de formulation Marshall reste une pierre angulaire de l’ingénierie des chaussées en enrobé bitumineux plus de 80 ans après son développement. Sa pertinence durable découle de son équilibre pratique entre simplicité, reproductibilité et corrélation empirique avec les performances sur le terrain. L’adoption mondiale étendue de la méthode — sur cinq continents et dans les applications routières et aéroportuaires — a créé une vaste base de données de corrélations de performance qui continuent d’informer les décisions de conception des chaussées.

Bien que le système Superpave ait résolu bon nombre des limites de la méthode Marshall grâce à des liants de grade de performance, au compactage giratoire et aux essais de propriétés techniques fondamentales, la méthode Marshall conserve des avantages en termes de coût, de portabilité et de facilité de mise en œuvre qui en font la méthode privilégiée pour de nombreux organismes dans le monde. Pour les chaussées aéroportuaires en particulier, son intégration dans la norme FAA P-401 et les directives de l’OACI garantit sa pertinence continue pour la construction aéronautique.

L’approche la plus efficace pour l’ingénierie moderne des chaussées consiste à appliquer la méthode Marshall pour le contrôle qualité de routine et les conceptions pour trafic faible à moyen, tout en passant aux approches Superpave ou de formulation équilibrée (BMD) pour les couloirs à trafic élevé, les chaussées aéroportuaires à charges lourdes et les projets nécessitant une modification avancée des liants ou des essais de performance. La compréhension des deux méthodes — leurs forces, leurs limites et leurs applications appropriées — est essentielle pour l’ingénieur en chaussées.