Introduction
La durée de vie du liant bitumineux est étroitement liée à ses caractéristiques viscoélastiques. Un moyen facile de déterminer ces propriétés est d'effectuer des mesures par balayage de fréquence à l'aide d'un rhéomètre rotatif. La gamme des basses fréquences d'un tel test correspond à des échelles de temps longues, tandis que la gamme des hautes fréquences fournit des informations sur le comportement de l'échantillon à des échelles de temps courtes. Dans la pratique, il est souvent très difficile d'effectuer des essais à très basse fréquence car ils nécessitent plusieurs jours ou semaines. Pourtant, il est important de prévoir le comportement du liant bitumineux ou du bitume sur de longues périodes.
Comment prévoir le comportement à long terme des liants bitumineux ?
La réponse est la superposition temps-température, ou TTS. Ce principe repose sur le fait qu'un changement de température a le même impact sur les propriétés viscoélastiques qu'un changement de fréquence ou de temps. En d'autres termes, il est possible d'étendre la gamme de fréquences d'une mesure en effectuant des essais dans la même gamme de fréquences, mais à des températures différentes.
Comment utiliser la superposition temps-température ?
L'objectif est d'étendre la courbe résultante d'un balayage de fréquence à une gamme de fréquences plus large. La méthode est simple :
- Mesure des balayages de fréquence à différentes températures
- Création d'une courbe maîtresse à une température définie par l'utilisateur. La séquence permettant la création d'une courbe maîtresse est intégrée dans le logiciel rSpace1.
Exemple de création d'une courbe maîtresse pour un liant bitumineux non modifié
Des balayages de fréquence ont été effectués à différentes températures sur un liant bitumineux non modifié. Le tableau 1 décrit les conditions de mesure.
Gamme viscoélastique linéaire
Le Région viscoélastique linéaire (LVER)Dans le LVER, les contraintes appliquées ne sont pas suffisantes pour provoquer une rupture de la structure, ce qui permet de mesurer d'importantes propriétés micro-structurelles.LVER est la plage d'amplitude dans laquelle les déformations et les contraintes sont proportionnelles. Dans le Région viscoélastique linéaire (LVER)Dans le LVER, les contraintes appliquées ne sont pas suffisantes pour provoquer une rupture de la structure, ce qui permet de mesurer d'importantes propriétés micro-structurelles.LVER, les contraintes (ou déformations) appliquées sont insuffisantes pour provoquer une rupture structurelle et les propriétés microstructurelles sont donc mesurées.
Tableau 1 : Conditions de mesure
| Appareil | Kinexus DSR-III | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Géométrie | Plaque, diamètre : 8 mm | Plaque, diamètre : 25 mm | ||||
| Espace | 2 mm | 1 mm | ||||
| Température d'utilisation | 5°C | 15°C | 25°C | 35°C | 45°C | 65°C |
| Amplitude de cisaillement | Déterminée comme étant dans le Région viscoélastique linéaire (LVER)Dans le LVER, les contraintes appliquées ne sont pas suffisantes pour provoquer une rupture de la structure, ce qui permet de mesurer d'importantes propriétés micro-structurelles.LVER | |||||
| Fréquence | 0.01 à 402 Hz | |||||
1 Le logiciel Kinexus Prime DSR comprend à la fois des routines de mesure et d'évaluation
2 Limité par l'inertie de l'appareil
Résultats des mesures
La figure 1 présente le module de cisaillement élastique (G') pour les différentes températures testées (courbes colorées). Plus la température est élevée, plus le module de cisaillement élastique est faible. Cela signifie que le matériau perd de son élasticité avec l'augmentation de la température pour une fréquence fixe. À 0,01 Hz, le module d'élasticité passe de 1E-01 Pa à 65°C à près de 1E+07 Pa à 5°C, soit une différence de près de 8 décades ! Cette forte influence de la température explique également la variation des propriétés de l'asphalte en fonction des saisons. En hiver, les routes peuvent être fragiles et avoir tendance à se fissurer, alors qu'elles peuvent devenir collantes pendant les étés très chauds. C'est la raison pour laquelle différents niveaux de performance du liant sont conçus, afin de répondre à des conditions différentes selon le pays, l'état/la région et l'utilisation (par exemple, route de campagne ou autoroute).
La courbe maîtresse à une température de référence de 25°C (courbe noire) est obtenue en décalant les points des balayages de fréquence à différentes températures (voir les exemples de points dans la figure 1). Plus la température est élevée, plus les chaînes de polymères sont flexibles et plus la mobilité des molécules est rapide. Par conséquent, le processus de relaxation, qui a lieu à une température plus basse et à une fréquence plus basse, est le même à une température plus élevée et à une fréquence plus élevée.1
La courbe maîtresse (courbe noire) obtenue à une température de référence de 25°C s'étend de 1E-06 à 1E04 Hz, soit une expansion de la gamme de fréquences de près de 7 décennies ! Une fréquence de 1E-06 Hz correspond à plus de 11 jours. Une telle durée pour la mesure d'un seul point n'est pas appropriée dans la pratique. C'est pourquoi le TTS est absolument nécessaire.
La figure 2 représente la courbe maîtresse à 25°C pour les modules de cisaillement élastique et de perte. Elle montre un croisement de G' et G" à 11 Hz, ce qui signifie que le liant devient élastiquement dominé pour des durées inférieures à 90 ms. La période de temps de la fréquence de croisement correspond à
1 De plus amples informations sur la dépendance du temps de relaxation par rapport à la température sont fournies dans notre note d'application AN 256 (Superposition temps-température sur liant bitumineux)
À titre de comparaison, des courbes maîtresses ont également été créées pour des températures de référence de 5°C (figure 3) et 45°C (figure 4). Plus la température est élevée, plus la fréquence de croisement est élevée. La superposition temps-température suppose que la température modifie l'échelle de temps du processus de relaxation, mais n'a pas d'influence sur le processus lui-même.
Conclusion
La superposition temps-température (TTS) est un moyen facile de prédire le comportement à court et à long terme de votre asphalte sans effectuer de mesures fastidieuses.
Le logiciel rSpace calcule et affiche la courbe maîtresse pour une température définie par l'utilisateur à partir de mesures de balayage de fréquence à différentes températures. Cette vidéo explique comment générer une courbe maîtresse dans rSpace :