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Theses Year : 2021

Study of constructive choices to guarantee the implementation and durability of virgin and recycled asphalt mixes with bitumen emulsion

Étude de choix constructifs pour garantir la mise en œuvre et la durabilité des enrobés neufs et recyclés à l’émulsion de bitume

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Abstract

The use of bitumen emulsion cold mixes, coupled with the reuse of reclaimed asphalt pavement (RAP), is part of an effective approach to preserve the environment. Such materials are intended for low to medium traffic-loading pavements and can represent significant potential for the secondary network in African countries, such as Côte d'Ivoire, where road traffic is low. Their formulation requires to ensure the compatibility of the emulsion with virgin aggregates and RAP according to their respective physicochemical characteristics.Surfactants determine emulsion-substrate interaction in terms of emulsion breaking, wetting and adhesion of binder onto substrate. The final mechanical performances of virgin and recycled asphalt mixtures are linked to these processes, which take place from the manufacturing to the in situ curing stages.The objective of this thesis was to study the phenomena occurring at the emulsion-substrate interfaces in order to understand the formulation of the emulsion and its impact on the implementation and durability properties of virgin and recycled asphalt mixes.The research work was carried out at two levels. The first level concerned studies at the microscopic scale on emulsion-substrate interactions, relative to the phenomena of surfactant adsorption, emulsion breaking process, behavior of emulsion-filler mixtures and emulsion wetting on model substrates. The second level concerned studies at the macroscopic scale through the emulsion-aggregate adhesivity tests, the formulation of virgin and recycled mixtures and the evaluation of their cohesion build-up and their water resistance.On a microscopic scale, the surfactant adsorption differed according to the surfactant-substrate pair considered; the emulsion breaking on the aggregate was all the more rapid as the SiO2 content increased. At the rheological level, the behavior of the emulsion-filler mixtures was influenced by the surfactant nature and content, the specific surface area of the aggregates and the emulsion-filler mass ratio. RAP exhibited higher contact angles and lower adhesion work with the emulsion than the virgin aggregates. This suggests that in a recycling context, the emulsion will preferentially wet virgin aggregates.On a macroscopic scale, formulation tests revealed a variation in the total water content of the mixtures depending on the surfactant nature and content. The cohesion build-up and water resistance tests, carried out on virgin and recycled asphalt mixes, indicated optimum values of surfactant content depending on the nature of virgin aggregates with respect to these properties. A relationship was found between short-term cohesion and water resistance.Finally, a comparison of the results at both scales leads to correlations between them, which specify the mechanisms involved in the surfactant adsorption on the substrates and clarify the contribution of the aged binder in the mechanical performances of recycled asphalt mixes thanks to the surfactant effect.
L’emploi d’enrobés bitumineux à l’émulsion de bitume dans les structures de chaussées, couplé avec la réutilisation de matériaux recyclés appelés agrégats d’enrobés, permet de s’inscrire dans une démarche efficace de préservation de l’environnement. De tels matériaux sont destinés à des chaussées de faibles à moyens trafics et peuvent constituer un grand potentiel pour le réseau secondaire peu aménagé des pays africains, tels que la Côte d’Ivoire, où le trafic routier est peu dense. Leur formulation requiert d’assurer la compatibilité de l’émulsion avec les granulats neufs et les agrégats d’enrobés selon leurs caractéristiques physico-chimiques respectives.Dans l’interaction émulsion-substrat, les tensioactifs sont amenés à jouer un rôle majeur dans les mécanismes de rupture, de mouillage et d’adhésion. Les performances finales des enrobés neufs et recyclés sont fortement dépendantes de ces processus qui se déroulent pendant les étapes de fabrication, de mise en œuvre et de mûrissement in situ.L’objectif de cette thèse est d’étudier les phénomènes aux interfaces émulsion-substrat en vue d’appréhender l’influence des paramètres de formulation de l’émulsion sur les propriétés de mise en œuvre et de durabilité des enrobés neufs et recyclés.La démarche de recherche s’est articulée suivant deux axes. Le premier axe a concerné l’étude à l’échelle microscopique des interactions émulsion-substrat, relativement aux phénomènes d’adsorption des tensioactifs, à la rupture des émulsions sur substrat, à la rhéologie des mélanges émulsion-filler et au mouillage de l’émulsion sur des substrats modèles. Le second axe a considéré l’étude à l’échelle macroscopique des enrobés neufs et recyclés à travers des essais d’adhésivité émulsion-granulat, de formulation à petite échelle et d’évaluation de la cohésion et la tenue à l’eau.A l’échelle microscopique, une différence d’adsorption des tensioactifs a été notée suivant le couple tensioactif-substrat. La vitesse de rupture des émulsions au contact des granulats est rapide à mesure que la teneur en SiO2 augmente. Au niveau rhéologique, le comportement des mélanges émulsion-filler est influencé par la nature et la teneur en tensioactif, la surface spécifique des granulats et le ratio émulsion-filler. Les agrégats d’enrobés ont présenté des angles de contact plus élevés et des travaux d’adhésion plus faibles avec l’émulsion que les granulats neufs ; cela suggère que dans le cadre du recyclage, l’émulsion mouillera préférentiellement les granulats neufs.A l’échelle macroscopique, les essais de formulation ont révélé une variation de la teneur en eau totale des mélanges en fonction de la nature et du dosage de tensioactif. Les tests de montée en cohésion et de tenue à l’eau, effectués sur les enrobés neufs et recyclés, ont indiqué des teneurs optimales en tensioactif selon la nature du granulat neuf vis-à-vis de ces propriétés. Les résultats ont par ailleurs montré un lien entre la force de poussée à court terme et la tenue à l’eau.Enfin, une confrontation des résultats aux deux échelles a permis d’établir des corrélations entre elles, de mieux préciser les mécanismes en jeu, en termes d’adsorption des tensioactifs sur les substrats, et d’appréhender la contribution du liant vieilli dans les performances mécaniques des enrobés recyclés grâce aux tensioactifs.
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  • HAL Id : tel-03583916 , version 1

Cite

Yacouba Konate. Étude de choix constructifs pour garantir la mise en œuvre et la durabilité des enrobés neufs et recyclés à l’émulsion de bitume. Génie civil. École des Ponts ParisTech; Institut National Polytechnique Félix Houphouët-Boigny (Yamoussoukro, Côte d'Ivoire), 2021. Français. ⟨NNT : 2021ENPC0027⟩. ⟨tel-03583916⟩
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