Etude du contact pneumatique-chaussée pour des propriétés optimales et durables des surfaces routières

Responsables

Fabienne Anfosso-Lédée (Ifsttar/MAST) et Smaïl Hamlat (CETE Ouest - ERA 36)

Enjeux et objectifs

Cette opération traite du contact pneumatique/chaussée dans l’optique d’une conception durable et économe des couches de roulement. Elle vise à prévoir les performances d’usage des revêtements de chaussée de leur état initial jusqu’à leur fin de vie, en s’attachant plus particulièrement aux différents aspects suivants :

  • l’économie de ressources et la réduction de la gêne aux usagers par l’utilisation de matériaux plus durables ;
  • la réduction des impacts environnementaux du trafic routier, notamment l’émission de bruit, et l’émission de CO2 et NO2 à travers la résistance au roulement ;
  • la sécurité routière, avec l’amélioration de l’adhérence sur chaussée mouillée.

Sujets traités

1. Modélisation des phénomènes physiques et lien entre texture, bruit, résistance au roulement

1.a – Modélisation de l’adhérence

L’objectif est de comprendre et de modéliser l’adhérence (frottement, usure, lubrification) et ses facteurs influents (texture, vitesse, eau, etc.), d’une part pour mieux informer les conducteurs afin qu’ils adaptent leur conduite, et d’autre part, pour assister les gestionnaires d’infrastructures afin qu’ils optimisent leurs stratégies d’entretien et de renouvellement des couches de roulement. Deux approches ont été suivies, l’une numérique permettant de décrire finement le contact pneumatique-chaussée, l’autre plus analytique permettant des applications plus larges.

Un modèle numérique a été développé dans le cadre du projet Européen SKIDSAFE, basé sur un code par éléments fini de l’Université Technique de Delft (CAPA3D). Le couplage fluide/structure a été introduit pour calculer les interfaces de contact pneu-chaussée en présence d’un film d’eau d’épaisseur variable. Une importante campagne expérimentale sur la piste de l’Ifsttar à Nantes a permis de valider ce modèle. En parallèle, un travail a été mené sur la prise en compte du comportement rhéologique de la gomme (l’hystérésis). Le calcul prévisionnel de frottement s’appuie sur une description fractale de la surface de chaussée.

Une approche plus analytique a été mise en œuvre afin de permettre une estimation en temps réel de l’adhérence en embarquant les capteurs sur un véhicule (thèse D. Prevost) (figure 1a). Cette approche basée sur des relations assez simples en le coefficient de frottement m et des paramètres de rugosité (PMP) de hauteur d’eau et cinématiques (vitesse) donne des résultats bien corrélés avec les mesures sur véhicules instrumentés. Elle a permis également une étude originale de l’effet de minces films d’eau sur l’adhérence (thèse de Y. Beautru) (figure 1b).


Fig. 1a – principe du modèle analytique d’adhérence
Fig. 1b – Conditions de viscoplanage : définition d’une hauteur d’eau critique

1.b - Modélisation du bruit de roulement

Un important travail de modélisation numérique des efforts de contact à l’interface pneu-chaussée a été entrepris à travers la thèse de G.Dubois (2009-2012). A partir d’un relevé de texture en 3 dimensions, l’algorithme permet de partitionner la chaussée en un certain nombre d’aspérités, de calculer les forces de contact à chaque sommet d’aspérité et de calculer de façon itérative la distribution des pressions sur l’ensemble de ces aspérités. Le modèle « multi-aspérités » permet désormais de calculer les efforts de contact (forces et pressions) pour un pneumatique roulant sur plusieurs mètres d’une surface de chaussée réelle. Le pneu peut avoir une géométrie quelconque et possède des propriétés visco-élastiques. La vibration du pneumatique a été également introduite. Le travail s’est ensuite porté sur la corrélation entre les spectres de forces et les spectres de bruit émis. On montre qu’il est plus précis de prévoir le bruit en basses fréquences à partir des forces de contact plutôt qu’à partir du relevé de texture, ce qui est prometteur pour la prévision du bruit de roulement par une approche « hybride » (figure 2).

Le modèle de contact multi-aspérités a été utilisé dans le cadre du projet ODSurf (Deufrako, 2011-2014) dont l’objectif est l’optimisation acoustique de revêtements routiers fermés en améliorant la modélisation physique du bruit de roulement. Les algorithmes seront adaptés aux revêtements étudiés et des développements seront entrepris pour aborder le phénomène d’air pumping.
En parallèle, un banc d’essai pour le contact dynamique pneumatique/chaussée (financé par la Région Pays de la Loire) et en cours de montage. En plus d’une meilleure compréhension des mécanismes physiques, le banc d’essai devrait permettre de valider les modèles de contact. Il évoluera ensuite vers l’étude des mécanismes aérodynamiques (« air-pumping ») et vers la mesure du bruit sur plusieurs textures de chaussée en salle semi-anéchoïque, permettant une validation complète du modèle de prévision du bruit.

Fig. 2 – Principe du modèle hybride de prévision du bruit de roulement par approche multi-aspérité

1.c - Modélisation de la résistance au roulement

Les connaissances dans le domaine de la résistance au roulement sont moins avancées que pour le bruit ou l’adhérence. Dans la cadre de la thèse de Q.H.Bui (ENPC), le modèle de contact multipoint développé pour ses applications au bruit a été utilisé pour prédire la résistance au roulement. La visco-élasticité de la gomme introduit un différentiel de chargement entre l’avant et l’arrière de la zone de contact, induisant un couple de résistance. Ce couple traduit la résistance au roulement, que l’on peut calculer en fonction de la rugosité de la chaussée. Le couplage avec la suspension du véhicule a été introduit. Le modèle qui reste académique dans sa forme, nécessitera une validation par rapport aux résultats expérimentaux obtenus au cours du projet MIRIAM.

2 – Prévision de l’évolution des propriétés d’usage et de la durabilité des couches de roulement

A la mise en œuvre des revêtements routiers, la microtexture des granulats en surface est masquée par un mélange de liant et de fines. Dans un premier temps, le trafic, le vieillissement naturel et les variations saisonnières engendrent un décapage de mastic en surface qui fait apparaître la microtexture. Durant cette première phase, le frottement augmente avec le temps jusqu'à atteindre un maximum d’adhérence. La deuxième phase présente une diminution de l’adhérence (coefficient de frottement) liée au phénomène de polissage des aspérités micrométriques se trouvant à la surface. En dessous d'un certain seuil, la sécurité des usagers de la route n’est plus assurée.
Les travaux réalisés ont permis de développer un modèle de prédiction de l’évolution de l’adhérence des chaussées routières en fonction de la nature et de l’intensité du trafic, du vieillissement du liant et des variations saisonnières (figure 3).

Dans ce sujet, une attention particulière est portée sur la modernisation des outils de capitalisation des informations concernant les performances des propriétés de surface des chaussées et leurs évolutions dans le temps. Ainsi, la  base CARAT sur l’adhérence et la base bruit ont subi une migration sur un support Web avec interfaces graphiques. Cette démarche a pour objectif de faciliter l’entrée des données, et assurer une plus large diffusion et une meilleure valorisation de leur exploitation.

En parallèle, une nouvelle base de données sur la résistance au roulement a été construite. Elle compte les effets liés à l’appareil de mesure, à la variabilité de la texture du revêtement routiers et au type de pneumatique utilisé pour la mesure.

Fig. 3 - Evolution de l’adhérence, mesures et prédictions du modèle

3 – Optimisation des matériaux et des formulations des couches de roulement

Dans le contexte d'une demande croissante et prévisible de réalisation de couches de roulement (entretien d'un réseau vieillissant, demande toujours accrue de confort ...) et dans un souci de répondre aux attentes actuelles en termes de développement durable, l’optimisation du choix des matériaux et de formulation des mélanges vis-à-vis de l’adhérence s’impose. Nous disposons de la machine Wehner et Schulze qui permet de reproduire un vieillissement accéléré de l’état de surface qui est dû à l’agressivité du trafic (Figure 4-a). Les résultats obtenus avec ce dispositif ont conduit à la proposition d’une loi de prédiction de la résistance au polissage des enrobés bitumineux formulés à partir des mélanges granulaires hétérogènes. La validation de cette loi est présentée sur la figure 4-b.

a) Illustration d’un polissage accéléré sur une texture routière
b) Frottements mesurés et frottements calculés

Fig. 4 - Prédiction de l’évolution du polissage des mélanges granulaires hétérogènes

Nouveaux procédés pour couches de roulement

Afin de fournir aux maîtres d'ouvrage une solution technique garantissant un niveau d'adhérence élevé et durable tout en permettant une valorisation maximale des granulats locaux, deux procédés innovants de traitement de surface pour les couches de roulement des chaussées sont développés : Le Micro-enduit et l’Enduit Hydraulique Fibré Gravillonné (voir figure 5).

Les performances des deux procédés ont été évaluées en laboratoire puis testées en grandeur nature ou sur site. 

a) Machine Wehner et Schulze
b) Micro-enduit
Expérimentation sur le manège de fatigue
c) EHFG
Expérimentation sur le chantier de Brette-les-pins

4 – Outils et méthodes de caractérisation des propriétés de surface

Qu’il s’agisse de valider des modèles physiques ou de constituer des bases données sur lesquelles s’appuient les modèles empiriques, le recours à des outils expérimentaux performants est indispensable. Le travail a porté sur le développement d’outils de mesure des caractéristiques de surface des revêtements (microtexture, macrotexture, megatexture, absorption acoustique) et de leurs performances d’usage (adhérence, bruit, résistance au roulement), utilisables aussi bien en laboratoire qu’in situ. Deux projets de développement ont été menés :

  • Triboroute appareil de mesure en laboratoire de la résistance à l’arrachement. Un premier prototype adaptable à des presses hydrauliques existantes a été livré en 2012, puis amélioré en adaptant un nouveau patin plus performant. L’appareil est maintenant reconnu au niveau de la normalisation européenne (CEN) et devrait être qualifié début 2014 (figure 6a).
  • TexRoad3D appareil de mesure de la texture de chaussée en 3D, développé en partenariat avec l’Université de Poitiers (laboratoire XLIM-SIC) et le CETE de l’Ouest. Cet appareil permet d’obtenir rapidement une cartographie 3D d’une surface de 0,15 m x 0,10 m à partir de l’analyse de trois photos prises sous des éclairages différents (principe de la stéréo-photométrie). Un appareil transportable a été développé, mettant en œuvre le principe et permettant la mesure par un seul opérateur, sur site routier. L’appareil a été raccordé en laboratoire et des essais sur site ont prouvé une corrélation avec les mesures de PMT (profondeur moyenne de texture, indicateur de référence mesuré par essai à la tache) tout à fait acceptable. L’appareil devrait être qualifié début 2014 (figure 6b).
Fig. 6 a) TriboRoute, version « compacte »
Fig. 6 b) Prototype TexRoad3D

Dans le domaine des mesures d’adhérence, l’ORSI a contribué à travers le projet européen SKIDSAFE à la mise au point d’un nouveau tribomètre (machine SR-ITD®, Skid Resistance Interface Testing Device), permettant une mesure optimisée du frottement et de l’effet du polissage. Cette machine devrait être disponible à l’Ifsttar en fin 2013. Par ailleurs, des évaluations comparatives de plusieurs appareils de mesure in situ de la texture et de l’adhérence ont été menées à bien.

Dans le domaine des mesures de bruit ou des caractéristiques de chaussées influentes sur le bruit, un travail important a été mené pour définir une méthode de mesure de l’absorption acoustique des revêtements de chaussée. Cette méthode permet d’évaluer sur site l’impédance acoustique d’un revêtement poreux et de remonter aux paramètres intrinsèques de la couche de roulement par calage sur un modèle. La méthode permet en outre de mettre en évidence un colmatage du revêtement.

En parallèle, un travail d’amélioration des méthodes de mesure du bruit de roulement a été entrepris. Une campagne d’essais sur la mesure en continu a permis d’identifier que le pneumatique d’essais était le principal responsable des écarts inter-laboratoire observés en 2010. Enfin, une mise à jour importante de l’outil de mesure du bruit de roulement au passage de véhicules (selon la norme NF/EN/ISO 11819-1) a été effectuée et s’est concrétisée par la sortie du logiciel dBEuler 2.0. Outre une ergonomie plus élaborée, l’outil permet une gestion complète des mesures acoustiques au passage, de l’acquisition des signaux sur 4 voies jusqu’à la génération de rapport en passant par le dépouillement des passages et le traitement statistique des données. Une automatisation a été recherchée notamment pour la détection et la suppression des valeurs aberrantes. Le logiciel est libre de droits et basé sur des utilitaires gratuits.
Enfin, dans le domaine de la mesure de la résistance au roulement, des essais croisés entre les 3 appareils existants en Europe ont été organisés en 2011 sur la piste de référence de l’Ifsttar à Nantes dans le cadre du projet MIRIAM. Ils ont permis de comparer les appareils, détecter leurs faiblesses et fournir les premières valeurs de résistance au roulement sur une dizaine de revêtements (figure 7).

Fig. 7 Essais croisés de résistance au roulement (projet MIRIAM) avec de gauche à droite les appareils du BRRC (Belgique), TUG (Pologne) et BASt (Allemagne)

Partenariats et projets rattachés

CETE de l’Ouest ERA n°36 (Angers) Optimisation des Revêtements Routiers

CETE Lyon ERA n°12 (Lyon) Qualité de service des infrastructures routières : adhérence, sécurité, LR Clermont

CETE de l’Est ERA n°32 (Strasbourg) Acoustique

CETE Normandie-Centre LR Blois

CETE IF LROP, Laboratoire Eco-matériaux.GdR Bruit des Transports, Université de Poitiers, Université d’Evry, INSA de Lyon, Michelin, ESTP, ENS Cachan

Projets européens FP7

  • TYROSAFE (2008-2010) – optimisation des pneus et chaussées pour l’adhérence et autres propriétés de surface
  • SKIDSAFE (2009-2012) – modélisation de l’adhérence
  • PERSUADE (2009-2015) – revêtements de chaussée poro-élastiques

Projet internationaux

  • Long Life Pavement 3 (OCDE) : chaussées à longue durée de vie;
  • MIRIAM (2010-2015) (FEHRL-FHWA) - résistance au roulement.
  • ODSURF (2012-2015) (DEUFRAKO) - couche de roulement dense peu bruyante

Projet ANR

  • CLEAN (2009-2012) Chaussées à Longévité Environnementale Adhérente et Nettoyante

Produits principaux

  • Algorithmes de calculs pour la prédiction de l’adhérence, du bruit et de la résistance au roulement des revêtements routiers
  • Logiciel dBEuler version 2.0 pour la mesure au passage du bruit des véhicules
  • Innovations en techniques routières : le Micro-enduit et l’Enduit hydraulique fibré gravillonné (EHFG)
  • Nouveau moyen de mesure de macrotexture des chaussées en 3D par techniques d’imagerie « TexRoad3D »
  • Dispositif d’évaluation de la résistance aux arrachement des surfaces routières : « TriboRoute version compacte »
  • Maquette du banc d’essai dédié à l’étude du frottement pneu-chaussée (SR-ITD)
  • Bases de données sur l’adhérence, le bruit et la résistance au roulement
  • Publications, manuscrits de stage et de thèse