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Rapport de stage de première année de Master Chimie et Sciences des Matériaux : Optimisation de l’incorporation d’agrégats d’enrobés dans les couches de roulements et d’assises, afin d’étudier une variante envir...

Rapport de stage de première année de Master Chimie et Sciences des Matériaux : Optimisation de l’incorporation d’agrégats d’enrobés dans les couches de roulements et d’assises, afin d’étudier une variante environnementale MONDELIN Marine Tuteur industriel : JOLY Sébastien VCSP Routes France – DTE Centre Est Tuteur académique : ESPUCHE Eliane avril – août 2024 CONFIDENTIEL CONFIDENTIEL Remerciements : Premièrement, je voudrais remercier Monsieur Serge DUPLAIX, directeur technique de la délégation Centre-Est, de m’avoir accueillie pendant la durée de mon stage. Je remercie également Monsieur Sébastien JOLY, responsable technique Centre-Est du service Chantier du Rhône, de m’avoir accueillie, supervisée, et soutenue dans le cadre de mon stage et de mon projet professionnel. Je remercie avec une attention particulière, les techniciens du service Chantier de Lyon : Pierre BELLOT, Gérald BAUREZ, Florian DOREL, Gaétan BERNARD, et le technicien du service Chantier de Clermont-Ferrand, François JEANNOT, qui m’ont formée sur le métier de technicien au service chantier. Enfin, je remercie l’ensemble du personnel du laboratoire. Résumé : J’ai réalisé mon stage de fin de première année de Master chez V.C.S.P ROUTE France, au sein du service Chantier du laboratoire d’Eurovia de la Direction Technique et Expertise Centre-Est. Ce stage au sein de ce service m’a permis d’en apprendre plus à propos du métier de technicien et d’ingénieur au service chantier notamment grâce aux essais en laboratoire et in situ, le dimensionnement de chaussée ainsi que les solutions apportées aux appels d’offre et les bilans carbone afin de pouvoir traiter un dossier sur l’autoroute A7. Durant mes missions, j’ai pu découvrir l’application du domaine de la chimie dans le secteur de la construction routière, autant au laboratoire que sur chantier. C’est un domaine que je voulais découvrir. J’ai également pu mettre en pratique mes connaissances acquises lors de cette première année de Master. Ce stage m’a permis d’acquérir de nombreuses compétences supplémentaires que je pourrais réemployer en alternance, lors de la deuxième année de Master, puis durant mes prochaines expériences professionnelles. CONFIDENTIEL  Rapport de stage MONDELIN MARINE Glossaire : AE : Agrégats d’Enrobés BBF : Béton Bitumineux à Froids BBTM : Béton Bitumineux Très Mince CRM : Centre de Recherche à Mérignac GB : Graves Bitume GES : Gaz à Effet de Serre GTR : Guide des Terrassements Routiers HAP : Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques PL : Poids Lourd SBS : Styrène – Butadiène - Styrène TBA : Température Bille-Anneau Liste des figures : Figure 1 : Coupe transversale d’une chaussée Figure 2 : Schéma d’un appareil gamma densimètre Figure 3 : Tâches obtenues à l'essai au bleu de méthylène Figure 4 : Caractérisation des bitumes en fonction de la température Figure 5 : Coupe transversale d'un viscosimètre de Brookfield Figure 6 : Formule topologique de l'asphaltène Figure 7 : Section étudiée de l'autoroute A7 Figure 8 : Carottage d'une chaussée Figure 9 : Carotte Figure 10 : Remobilisation du liant Figure 11 : Structure du SBS Figure 12 : Représentation de la consommation énergétique entre les solutions Figure 13 : Représentation de la consommation énergétique en fonction des solutions Figure 14 : Détail des consommations énergétique des solutions Figure 15 : Représentation de l’émission totale de GES Figure 16 : Représentation de l’émission de GES par solutions Figure 17 : Détail des émissions de GES Figure 18 : Préservation de la ressource par solutions Figure 19 : Impact (en tonne.kilomètre) du transport par solutions CONFIDENTIEL  Rapport de stage MONDELIN MARINE Liste des tableaux : Tableau 1 : Classes des plateformes support de chaussée en fonction de leur module de déformation. Tableau 2 : Grade des bitumes en fonction de leurs points de ramollissements Tableau 3 : Noms, utilisations et caractéristiques des enrobés fabriqués à chaud Tableau 4 : Noms, utilisations et caractéristiques des enrobés fabriqués à froids Tableau 5 : Taux d’incorporation d’AE en fonction des types de couches Tableau 6 : Différents scénarios de calcul de bilan carbone en fonction du type d’enrobés, du taux d’AE. Tableau 7 : Prix d'une tonne enrobés selon le pourcentage d'AE Tableau 8 : Résultats des analyses des carottes de l’A7 Tableau 9 : Données servant au calcul de l’énergie totale consommée selon les solutions Tableau 10 : Données servant au calcul des émissions de GES selon les scénarios Tableau 11 : Données servant au calcul de préservation des ressources selon les solutions Tableau 12 : Données servant au calcul du transport des matières selon les solutions Tableau 13 : Données servant à créer la solution de base de marché Tableau 14 : Données servant à créer la solution environnementale Tableau 15 : Equipements de protections individuelles Liste des normes : Module sous chargement statique à la plaque EV2 (NF P 94-117-1) Détermination de la masse volumique d’un matériau en place – méthode au gamma densimètre à pointe (transmission directe) (NF P94-061-1) Détermination de la teneur en eau par séchage en étuve ventilée (NF EN 1097-5) Analyses amiante et HAP (NF EN 15527 et NF X 43-050) Détermination de la masse volumique apparente des éprouvettes bitumineuses (NF EN 12697-6) Analyse granulométrique par tamisage (NF EN 933-1) Coefficient d’aplatissement (NF EN 933-3) Qualification des fines – Essai au bleu de méthylène (NF EN 933-9) Teneur en liant soluble (NF EN 12697-1) Extraction des bitumes à l’évaporateur rotatif (NF EN 12697-3) Détermination du point de Fragilité – Point de FRAASS (EN 12593) Détermination de la pénétrabilité à l’aiguille (EN 1426) CONFIDENTIEL  Rapport de stage MONDELIN MARINE Détermination du point de ramollissement – Méthode Bille et Anneau (NF EN 1427) Détermination de la viscosité dynamique (NF EN 13302) Détermination du module complexe en cisaillement (NF EN 14770) CONFIDENTIEL Table des matières Introduction __________________________________________________________________ 1 Présentation de l’entreprise _____________________________________________________ 1 I/ Présentation d’une chaussée ___________________________________________________ 3 1) Présentation générale d’une chaussée ______________________________________ 3 a) Structure d’une chaussée _______________________________________________ 3 b) Essais courants sur les chaussées _________________________________________ 4 2) Constituants d’une chaussée ______________________________________________ 8 a) Granulats ____________________________________________________________ 8 b) Bitumes ____________________________________________________________ 11 c) Enrobés bitumineux ___________________________________________________ 17 d) Les Agrégats d’Enrobés ________________________________________________ 19 3) Vieillissement d’une chaussée ____________________________________________ 19 III/ Etude de dossier : Autoroute A7 ______________________________________________ 20 1) Présentation du dossier _________________________________________________ 20 a) Situation et localisation ________________________________________________ 20 b) Principales tâches ____________________________________________________ 20 2) Caractérisation des enrobés déjà en place __________________________________ 21 3) Étude de la nouvelle formulation __________________________________________ 22 a) Les enrobés à fort taux d’Agrégats d’Enrobés _______________________________ 22 b) Remobilisation du liant ________________________________________________ 22 c) Copolymère SBS ______________________________________________________ 23 d) Loi de comportement des polymères fondus _______________________________ 24 e) Essais sur les différentes formulations ____________________________________ 25 f) Bilan Carbone________________________________________________________ 26 4) Perspectives ___________________________________________________________ 29 IV/ Conclusion _______________________________________________________________ 30 V/ Bibliographie ______________________________________________________________ 31 VI/ Annexes _________________________________________________________________ 32 VII/ Fiche de Sécurité __________________________________________________________ 37 CONFIDENTIEL  Rapport de stage MONDELIN MARINE Introduction Depuis quelques années, les préoccupations environnementales, notamment les émissions carbones, occupent une place centrale dans le secteur de la construction routière. Dans cette optique, de nombreuses solutions innovantes sont mises en œuvre pour réduire l'impact environnemental et le bilan carbone des entreprises de construction routière comme l’utilisation d’Agrégats d’Enrobés (AE) ou la fabrication d’enrobés « froids » ou « tièdes » par exemple. Les AE issus des rabotages de chaussées sont utilisés dans la formulation d’enrobés neufs depuis plus de 30 ans par de nombreuses entreprises (VINCI Construction, Eiffage, Colas, …). Cette démarche économique et environnementale permet d’atteindre un taux d’incorporation d’AE moyen de 20%. Le problème majeur de l’incorporation des Agrégats d’Enrobés dans les nouvelles formulations est qu’ils modifient la dureté du liant, nécessitant d’être chauffés à plus de 150°C pour faciliter leur mise en œuvre, ce qui impacte le bilan carbone final. Dans ce contexte, VINCI Construction a la charge de rénover une partie de l’autoroute A7, car celle-ci présente des défauts d’usure (fissures, nids de poule). Ma mission au sein du laboratoire sera de trouver la teneur limite en AE à incorporer dans les couches de roulement en faisant une fabrication d’enrobés dite « tiède » tout en respectant le bilan carbone fourni lors de l’appel d’offre. Premièrement, nous aborderons quelques généralités sur les constituants d’une chaussée, ainsi que les essais courants en laboratoire et sur chantiers. Enfin, nous nous pencherons sur l’étude de dossier de l’autoroute A7 avec une présentation de l’appel d’offre, les différents essais réalisés et les solutions qui seront apportées. Présentation de l’entreprise La Direction Technique et Expertise Centre-Est ou VCSP Routes France (Vinci Construction Services Partagés) appartient à VINCI Construction, filiale de la multinationale VINCI. VINCI est un des leaders mondiaux dans les secteurs de l'énergie, des concessions et de la construction. Présent dans près de 120 pays, le groupe a été fondé en 1899 sous le nom de Société Générale d’Entreprises (SGE) par deux ingénieurs, Alexandre Giros et Louis Loucheur. Le groupe sera renommé VINCI en 2000, après sa fusion avec le groupe Grands Travaux de Marseille. Aujourd'hui, VINCI emploie plus de 280 000 personnes à travers le monde. En 2021, le groupe a réalisé un chiffre d'affaires de 49,4 milliards d'euros. CONFIDENTIEL 1  Rapport de stage MONDELIN MARINE Xavier Huillard est l'actuel président-directeur général de VINCI. Les activités de VINCI sont réparties en trois domaines : les concessions (autoroutes, aéroports), l'énergie (VINCI Energies, Cobra IS) et la construction (Eurovia, Jean Lefebvre, etc.). De plus, VINCI agit pour l’environnement. En effet, le groupe veut réduire les impacts environnementaux de ses filiales. VINCI Construction a pour objectif d’ici 2030 de réduire de 40% ses émissions directes de gaz à effet de serre, de favoriser l’économie circulaire (en recyclant les matériaux : gamme « granulat + » ainsi qu’en doublant la production de matériaux issus de l’économie circulaire), et en préservant les milieux naturels (via le label EE (Excellence Environnement) et IQE et ŒIL). Il existe 6 délégations dans la division de VINCI Construction : Centre-Ouest, Nord-Est – Belgique, Île-de-France – Normandie, Centre-Est, Sud-Ouest et Sud. La DTE Centre-Est est un laboratoire faisant partie de la délégation Centre-Est que Monsieur Serge DUPLAIX dirige. Il est divisé en deux services : - Produit et procédés spéciaux et industries, études et expertises - Suivis chantier, diagnostics et expertises d’ouvrages J’ai effectué mon stage dans le deuxième service sous la tutelle de Monsieur Sébastien JOLY Les principales activités de la DTE sont : La réalisation d’études de dimensionnements (plus de 500 par an) et de formulations d’enrobés (plus de 110 par an) Le conseil pour les agences travaux L’auscultation La gestion du patrimoine La réalisation de contrôle et d’assistance technique. L’organigramme de la DTE est en annexe 1 page 32. CONFIDENTIEL 2  Rapport de stage MONDELIN MARINE I/ Présentation d’une chaussée 1) Présentation générale d’une chaussée a) Structure d’une chaussée Les chaussées sont des structures multicouches complexes (Figure 1), conçues pour résister aux multiples sollicitations mécaniques (passage de charges lourdes) et climatiques (variations de températures, pluies, gels, rayonnements UV). Chaque couche empilée apporte des propriétés de résistances mécaniques spécifiques.1 Plate-forme support de chaussée Toutes les couches reposent sur le sol support, qui est préalablement préparé (comblement des trous, rognage des bosses afin que le sol support soit plat). La couche de forme permet d’adapter les caractéristiques des matériaux du terrain en place ou Figure 1 : Coupe transversale d’une chaussée des remblais. Cette couche a des caractéristiques géométriques, mécaniques, hydrauliques et thermiques qui sont prises comme hypothèses dans la conception et le calcul du dimensionnement des chaussées. La mise en place de la couche de forme sur le sol support s’appelle la plateforme support de chaussée. Cette plateforme doit résister fortement aux contraintes et aux déformations induites par le trafic routier, notamment des poids-lourds. La portance doit être au minimum de 50 MPa afin d’assurer le bon fonctionnement mécanique de la chaussée. Les plateformes supports de chaussée sont classées selon leurs portances, c’est à dire l’aptitude de la plateforme support à résister aux contraintes et aux déformations sous une pression.1 D’après le tableau 1, plus la portance est élevée, plus Tableau 1 : Classes des plateformes support de chaussée en fonction de leur module de déformation la classe de la plateforme est élevée. Typiquement les portances faibles sont destinées aux voies piétonnes/vélos. A l’inverse, les plateformes avec un module plus élevé sont utilisées pour des grands nombre de passage de PL (poids lourds) par jour. Par exemple : une autoroute ainsi que pour la construction de bâtiments.1 CONFIDENTIEL 3  Rapport de stage MONDELIN MARINE Couche d’assise Par-dessus la plateforme support de chaussée, il y a les couches d’assise constituées de la couche de fondation et de la couche de base. Ces couches servent à réduire les contraintes induites sur les couches plus profondes (plateforme support de chaussée) en fournissant une résistance mécanique élevée aux charges et en diffusant les efforts mécaniques en les transférants, afin d’éviter les déformations permanentes de la chaussée.1 Couche de surface La couche de surface inclut la couche de liaison et la couche de roulement. La couche de roulement est la couche de surface en contact avec les pneumatiques des véhicules. La couche de liaison est optionnelle si la couche de base et de roulement adhèrent ensemble. Elle permet d’éviter les glissements entre les couches profondes comme la couche d’assise et les couches de roulement, de répartir les contraintes, et d’imperméabiliser. La couche de liaison peut être collée à froid par une émulsion de bitume, ou à chaud par des liants modifiés, fluxés ou bruts.1 Les différentes couches d’une chaussée peuvent être formées à partir de graves Bitume (GB), d’Enrobés à Modules Elevé (EME), de Béton Bitumineux Semi-Grenu (BBSG), de Béton Bitumineux à Module Elevé (BBME), de Béton Bitumineux Drainant (BBDr) et de Béton Bitumineux Très Mince (BBTM).2 gkkkkkkk Le trafic routier a une grande importance sur le type de chaussée utilisée. Les chaussées sont classées par le nombre de PL qui circulent chaque jour (en dimensionnement, on estime que le passage d’un PL correspond au passage de 105 à 106 véhicules légers). Les chaussées avec peu de PL en circulation, seront plus souples pour s’adapter aux déformations du sol support. A l’inverse, pour une chaussée soumise à de fortes contraintes, sous un fort trafic de PL, l’objectif sera d’avoir une chaussée rigide qui répondra aux exigences mécaniques requises pour y faire circuler un grand nombre de véhicules de type PL. b) Essais courants sur les chaussées Les différentes couches constituant la chaussée peuvent être analysées et contrôlées par les différents essais normés suivants : Module sous chargement statique à la plaque EV2 (NF P 94-117-1) : Cet essai est fait avant l’application d’enrobés bitumineux afin de connaître la portance d’un sol. La portance d’un sol est caractérisée par l’EV2 qui est la capacité à supporter des contraintes CONFIDENTIEL 4  Rapport de stage MONDELIN MARINE mécaniques verticales à sa surface, visible par une faible déformation. L’EV2 peut être simplifié en contrainte divisée par la déformation de surface d’un sol, soit un module d’Young. Si la portance d’une chaussée est faible, la chaussée ne résistera pas au trafic routier ou à la construction d’un bâtiment. La mesure de l’EV2 est possible par la lecture d’un comparateur fixé sur une poutre. Le sol est soumis à 2 chargements de 250 kPa (EV1) et 200 kPa (EV2) grâce à une plaque de 60cm de diamètre et d’un piston hydraulique. L’EV2 est calculé à partir de l’équation de Boussinesq : π 𝑝∗𝑑 𝐸𝑉2 (𝑀𝑃𝑎) = (1 − 𝑣 2 ) 4 𝑧 Dans cette équation : v est le coefficient de poisson de la chaussée p est la pression appliquée au sol (en MPa) d est le diamètre de la plaque (en mm) z est l’enfoncement de la plaque lors de la deuxième charge à 200 kPa (en mm) 𝐸𝑉2 Grâce à l’EV1 et l’EV2, le rapport de compactage K peut être calculé par : 𝐸𝑉1 Détermination de la masse volumique d’un matériau en place – méthode au gamma densimètre à pointe (transmission directe) (NF P94-061-1) : L’essai a pour but de déterminer la masse volumique moyenne des matériaux entre la couche supérieure et une couche inferieure de distance Z.3 La mesure est basée sur l’absorption par le matériau de photons gamma d’énergie donnée, émis par une source radioactive au Césium 137 enfoncée à la profondeur Z Figure 2 : Schéma d’un appareil gamma densimètre dans la couche soumise à l’essai (Figure 2). Une seconde source au béryllium radioactive permet de déterminer la teneur en eau des matériaux par les neutrons émis par la source. En effet, ceux-ci sont ralentis par les molécules d’hydrogène présentes dans l’eau. Les neutrons sont ensuite captés par un détecteur à l’hélium 3. Cet essai est à risque dû à l’exposition des rayonnements gamma et neutronique émis pendant les mesures et le transport.4 L’essai est non destructif. Un nombre C de photons gamma qui traversent le matériau par unité de temps est calculé par : C = C0*Exp (-µ’mat* ρ*X) CONFIDENTIEL 5  Rapport de stage MONDELIN MARINE Dans cette équation : Co = est le nombre de photons gamma émis par la source et détectés dans l’unité de temps par le compteur en l’absence de matériau (en coups/s) µ’mat = coefficient d’absorption massique du matériau (en cm2/g) ρ = masse volumique (en g/cm3) X = est l’épaisseur moyenne traversée (en cm) Dans le cas d’un détecteur à source amovible, la masse volumique humide est calculée par : Et la masse volumique sèche est calculée par : Dans ces équations : ρh = masse volumique humide moyenne (en g/cm3) A et B = constante déterminée lors de la calibration de l’appareil C1 = est le taux de compactage corrigé (en coups/s) µ’CaCO3 = coefficient d’absorption massique du calcaire (en cm/g) µ’eau = Coefficient d’absorption massique de l’eau (en cm/g) W est la teneur en eau pondérale (en %). Elle est égale à 100 fois le rapport de la masse de l’eau à la masse du matériau sec µ’ap mat sec est le coefficient d’absorption massique du matériau sec objet de l’essai (en cm2/g) ρd est la masse volumique sèche moyenne (en g/cm3) Détermination de la teneur en eau par séchage en étuve ventilée (NF EN 1097-5) : La détermination de la teneur en eau permet de savoir si le sol est argileux, et permet de classer les sols selon le Guide des Terrassements Routiers (GTR). La teneur en eau est connue en pesant une masse humide de matériaux prélevés sur chantier (enrobés ou granulats) et de placer cette masse dans une étuve ventilée et chauffée afin d’évaporer l’eau. Lorsque les matériaux sont secs, l’échantillon est de nouveau pesé. La teneur en eau (W%) est déterminée par le calcul 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑒 ℎ𝑢𝑚𝑖𝑑𝑒−𝑀𝑎𝑠𝑠𝑒 𝑠è𝑐ℎ𝑒 suivant : 𝑊% = 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑒 𝑠è𝑐ℎ𝑒 ∗ 100 Analyses amiante et HAP (NF EN 15527 et NF X 43-050) : Lors d’une opération de carottage, de rabotage ou de réutilisation de l’enrobé déjà en place sur une chaussée, les analyses de présence d’Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) et de présence de fibres d’amiantes sont exigées. L’amiante est un terme désignant les minéraux à textures fibreuses (silicates magnésiens ou calciques). L’amiante a été utilisé dès le début du XXe siècle dans le ciment et dans les bitumes CONFIDENTIEL 6  Rapport de stage MONDELIN MARINE afin d’augmenter la résistance à l’abrasion de la couche de roulement sous un trafic dense. L’amiante a aussi d’autres propriétés comme d’être un matériau réfractaire, incombustible et flexible, ainsi que résistant mécaniquement à la traction et résistant aux agressions chimiques. Cependant, c’est un matériau très toxique et cancérigène. Si la présence d’amiante est confirmée, le rabotage et les analyses seront faites par une entreprise spécialisée dans le désamiantage. Les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques sont des structures hydrocarbonées comprenant au moins deux cycles aromatiques condensés. Les HAP sont très étudiés et analysés car ils sont présents dans tous les milieux environnementaux et présentent une forte toxicité (cancérigènes). Ils sont classés selon leurs nombres de cycles. On peut distinguer les HAP légers jusqu’à 3 cycles et les HAP lourds avec plus de 3 cycles. Ils sont utilisés comme liant dans les goudrons car ils ont la particularité d’être hydrophobes. Les analyses qui détectent les HAP sont faites par HPLC5. Le seuil d’acceptabilité est de 50mg/Kg.5 Si la présence d’HAP est confirmée, les enrobés ne pourront pas être réemployés en tant qu’AE. Détermination de la masse volumique apparente des éprouvettes bitumineuses (NF EN 12697-6) : L’essai de détermination de la masse volumique permet de contrôler le compactage d’un enrobé. Après carottage d’un enrobé, la carotte est séchée, pesée et recouverte d’une épaisse couche de paraffine. La paraffine permet d’imperméabiliser la carotte de l’eau car c’est un composé apolaire et hydrophobe (constituée d’une longue chaîne carbonée). La carotte est ensuite plongée dans l’eau et pesée.6 La masse volumique apparente est déterminée avec la formule suivante : Dans cette équation : m1 est la masse de l’éprouvette sèche (en g) m2 est la masse de l’éprouvette recouverte de paraffine (en g) m3 est la masse de l’éprouvette recouverte de paraffine, plongé dans l’eau (en g) ρeau est la masse volumique de l’eau à 20°C (en kg/m3) ρparaffine est la masse volumique de la paraffine à la température d’essai (en kg/m3) On peut calculer le pourcentage de vide avec la formule suivante : 𝑀𝑉𝑅𝐸 − 𝑀𝑉𝐴 𝑝𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑔𝑒 𝑣𝑖𝑑𝑒 = ∗ 100 𝑀𝑉𝑅𝐸 Dans cette équation : MVRE est la masse volumique réelle de l’enrobé (masse de l’enrobé sans vide) en kg/m3 MVA est la masse volumique apparente en kg/m3 CONFIDENTIEL 7  Rapport de stage MONDELIN MARINE 2) Constituants d’une chaussée a) Granulats La consommation annuelle de granulats en France ne cesse d’augmenter et dépasse 3 millions de tonnes par an dès 2011. Ils sont utilisés dans les domaines de la construction routière, du génie civil, des bâtiments et des terrassements. Les granulats sont constitués d’un ensemble de grains minéraux issus de différents gisements qui leurs confèrent des caractéristiques spécifiques (natures, formes, couleurs). Ils sont classés selon leur distribution dimensionnelle des grains entre 0 et 125 millimètres dans l’une des 7 familles classés dans l’ordre croissant (où d est le diamètre inférieur du granulats et D est le diamètre supérieur du granulat) : Fillers 0/D (D