Les travaux réalisés dans le cadre de cette maîtrise visent entre autres une gestion durable des matières résiduelles des chantiers de construction routiers. Également, ce projet cherche à montrer si les matériaux granulaires recyclés peuvent substituer en partie ou en totalité les matériaux actuellement utilisés en structure de chaussée. Le Québec réalise présentement des travaux routiers d'envergure car il devenait urgent de moderniser massivement son réseau routier qui date de plus de 30 ans. Toutefois, chacun de ces nombreux chantiers génèrent une quantité colossale de matériaux dont il faut disposer. C'est pourquoi il devient important de s'attarder à la réutilisation de l'ensemble de ces matériaux à même la construction et la réhabilitation de structures de chaussées que ce soit pour des considérations budgétaires, logistiques et même par souci de développer les infrastructures de façon durable. La possibilité que certains de ces matériaux recyclés (MR) puissent être réutilisés dans une chaussée, conformément aux normes en vigueur, a déjà été envisagée. Les premiers travaux de recherche effectués par le ministère des Transports du Québec (MTQ) concernant les MR, ont mené à une classification préliminaire de ces matériaux. L'intérêt de ce projet de maîtrise si situe au niveau des propriétés réelles, qui pour la plupart, restaient à être définies. Les MR classifies par le MTQ doivent donc être caractérisés dans le but de vérifier leur possible utilisation au sein d'une structure de chaussée et comparer au matériau granulaire « standard » (MG-20). Cette classification des MR (type 2 à 6, non stabilisé) est faite en fonction de leur teneur en béton de ciment (BC), enrobé bitumineux (EB) et granulats naturels (GN). Les résultats obtenus sont optimistes quant à l'utilisation des matériaux granulaires en fondation routière. Bref, la caractérisation et l'évaluation des propriétés hydrique, thermique et mécanique des MR permettent de comprendre davantage le comportement de ces matériaux. Le projet de recherche fourni des connaissances détaillées de la performance des matériaux granulaires recyclés et ceci permettra très certainement d'aider le MTQ lors d'analyses ultérieures pour émettre des recommandations précises quant à leur utilisation dans les structures de chaussée.

Dans la majorité des agences de transports, il est commun de restreindre la distribution de la taille des grains des MG 20 par l'utilisation de fuseaux granulométriques. Pourtant, des variations de la performance allant de subtiles à très marquées peuvent être mesurées à l'intérieur d'un même fuseau granulaire. Ceci est vrai malgré le fait que certains fuseaux sont relativement serrés, comme c'est le cas entre autres au Québec, particulièrement en termes de pourcentage de particules fines, pour contrer les effets du gel. Il semble donc nécessaire d'arriver à mieux comprendre et expliquer l'influence des modifications granulométriques sur diverses qualités que doivent présenter les MG 20. Cette thèse présente donc la synthèse d'une étude détaillée en laboratoire analysant l'effet de la granulométrie sur la performance globale des MG 20, quantifiée par la sensibilité aux contraintes mécaniques et environnementales. En caractérisant le comportement mécanique, hydrique et thermique de six courbes granulométriques de formes variées, il a été possible d'identifier les principaux indicateurs, directement ou indirectement reliés à la granulométrie, en lien avec divers types de performance des MG 20 pour trois sources de granulats typiquement retrouvées au Québec. Les résultats montrent que la sensibilité aux contraintes environnementales peut être globalement décrite par un paramètre lié à la volumétrie des particules fines et que la sensibilité aux contraintes mécaniques est reliée à divers indicateurs granulométriques liés à diverses fractions granulométriques. Afin d'arriver à proposer des matériaux ayant un comportement global bonifié pour divers contextes de performance, il a été suggéré de subdiviser la plage de variation maximale de chaque paramètre de performance en quatre niveaux de performance. Ceci permet, pour des contextes de performance typiques au Québec et leurs principaux mécanismes de dégradation associés, de suggérer des zones granulométriques relativement continues et définissant des matériaux ayant un comportement optimisé pour ces divers contextes. Cette approche offre une latitude nécessaire permettant de prendre en compte les diverses caractéristiques souhaitables des MG 20, pour les divers paramètres de performance, qui sont souvent complémentaires.

La construction d’infrastructures en milieu nordique affecte inévitablement l’équilibre thermique du pergélisol. D’abord, la géométrie du remblai modifie le système naturel de drainage et l’étendue du couvert neigeux. Également, l’excavation ou l’ajout de matériaux fait varier les propriétés thermiques et la capacité de la surface à absorber ou à réfléchir la radiation solaire. Aussi, les impacts des changements climatiques sur les températures moyennes de l’air et sur la fréquence et l’intensité des précipitations ont des conséquences directes sur la stabilité du pergélisol, et, par conséquent, sur les capacités structurales des infrastructures. La conception de chaussées doit être adaptée dans le but de maintenir la sécurité et la fonctionnalité pour la durée de vie prévue de la route. Une solution envisagée est l’application de revêtements à albédo élevé afin de limiter la chaleur absorbée par la radiation solaire sous les remblais routiers. Des sections utilisant des surfaces à albédo élevé ont été construites et instrumentées afin d’évaluer leurs performances thermiques. L’approche développée par modélisation numérique utilisant le logiciel TEMP/W (GeoStudio) a permis d’atteindre les objectifs de recherche suivants: proposer une méthode de stabilisation thermique basée sur l’albédo de la surface et simuler l’effet de la hauteur du remblai sur le régime thermique du sol. L’analyse des résultats des simulations permet de calculer un albédo de surface recommandé pour stabiliser le pergélisol. L’approche de stabilisation se base sur un décalage thermique requis pour obtenir un gradient de température nul entre la température à l’interface remblai/sol naturel et la température du pergélisol. Un gradient de température nul ou négatif indique que l’apport de chaleur induite sous le remblai est égal ou plus faible à l’extraction de chaleur. Ainsi, la température du sol naturel reste constante ou diminue. Une validation du modèle est présentée pour le cas du site d’étude de Beaver Creek.--Résumé de l'éditeur. / The construction of transport infrastructure in northern environments inevitably affects the thermal balance of permafrost. First, the geometry of the embankment leads to changes of the drainage pattern and the snow cover extents. Furthermore, excavation or addition of materials modifies the thermal properties and the capacity of the surface to absorb or to reflect solar radiation. Also, impacts of global warming, such as rising average air temperatures and changes in the frequency and intensity of precipitation, have a direct impact on the stability of permafrost and, thus, on the structural capacities of infrastructure. The design of pavement built on permafrost must be adapted to maintain safety and functionality for the expected lifetime of the road. One of the proposed solutions is the application of high albedo coatings to limit heat absorbed by solar radiation underneath the embankment. As part of the project, road sections were constructed using high albedo surfaces and instrumented to evaluate the thermal performance. Numerical modelling using GeoStudio’s TEMP/W software was developed to accomplish the twofold research objectives: to propose a thermal stabilization method based on the albedo of the surface, and to simulate the effect of embankment height on the thermal regime of the soil. Simulations allow the modelling of heat exchange in a soil column, and, through analyzing the results, an equivalent surface albedo that can stabilize the natural soil can be calculated. The stabilization approach is based on a required temperature gradient, which is the difference between the interface temperature and the permafrost temperature. A zero or negative temperature gradient indicates that heat induced underneath the embankment is equal to or lower than heat extracted. Therefore, temperature of the natural soil remains constant or decreases. A validation of the model is presented for the Beaver Creek study site.--Résumé de l'éditeur.

Le réseau routier québécois est profondément affecté par des problèmes d'orniérage et de fissuration en fatigue qui sont causés par la réduction de la résistance en période de dégel. L'intégration de caractéristiques favorisant le drainage permet de contrer ces problèmes et d'assurer la pérennité de la chaussée. Cette thèse a établi une méthodologie de sélection appropriée et rationnelle de la géométrie et des matériaux de fondation routière qui favorise une réduction rapide du degré de saturation moyen des matériaux de fondation sous la voie de roulement. Contrairement à une analyse traditionnelle du temps de drainage, la méthodologie de sélection est fondée sur le degré de saturation minimal moyen des matériaux de fondation sous la voie de roulement ainsi que sur une période critique qui permet d'intégrer les aspects hydrique et thermique afin d'évaluer les conditions de drainage en période de dégel. Une équation a ainsi été développée pour le degré de saturation minimal moyen en présence de fondations routières bicouches. Les outils de calculs hydrique et thermique, développés dans le cadre de cette étude, ont permis d'effectuer une analyse paramétrique de la période critique. Afin d'éliminer l'effet de barrière capillaire et de réduire la période critique, l'analyse a démontré qu'il est préférable de préconiser un matériau de sous-fondation de faible diamètre équivalent des particules solides dont la conductivité hydraulique à saturation est supérieure à celle du matériau de fondation. De plus, la comparaison de la période critique de fondations routières monocouche et bicouche a démontré que la superposition de matériaux de fondation et de sous-fondation permet de réduire la période critique en favorisant l'écoulement vertical de l'eau vers la couche de sous-fondation. La sélection de matériaux de fondation à granulométrie étalée, dont la conductivité hydraulique à saturation est faible mais la capacité portante élevée, est ainsi justifiée par la présence d'une couche de sous-fondation adaptée. / The Québec road network is profoundly affected by rutting and fatigue cracking problems caused by a resistance reduction during the seasonal thaw period. These problems can be countered by integrating characteristics that favor drainage and improve pavement durability. This thesis has established a methodology for the appropriate and rational selection of pavement geometry and materials that favors a rapid reduction in the average degree of saturation of the base course underlying the traffic lane. Contrary to traditional time to drain analyses, the selection methodology is based on the average minimum base course degree of saturation and a critical period that integrates hydraulic and thermal aspects in order to evaluate drainage conditions during the thaw period. A formula is developed for the average minimum base course degree of saturation of a two-layer, base and subbase, pavement foundation. A parametric analysis of the critical period is accomplished with hydraulic and thermal numerical tools that are developed in the framework of the present study. In order to negate the capillary barrier effect and reduce the critical period, the analysis has shown that it is preferable to use subbase materials with small equivalent particle diameters that have a greater saturated hydraulic conductivity than the base material. Through comparison of one-layer and two-layer pavement foundations, it has also been shown that the superimposition of base and subbase materials reduces the critical period by favoring bottom seepage. Hence, the implementation of a dense graded base material, with low saturated hydraulic conductivity and high bearing capacity, is justified by the presence of an adequate subbase material.

Depuis les dernières années, le gouvernement provincial a investi des montants record dans le réseau routier québécois, notamment pour la construction de nouvelles routes et l’entretien des chaussées. En plus d’être doté d’une grande superficie territoriale, le Québec connaît un climat rigoureux qui complexifie la conception des chaussées. Les changements de saison entraînent des répercussions néfastes quant à la performance des chaussées, dont l’accumulation de déformations permanentes (ɛp) dans les structures granulaires. Bien que la déformation permanente puisse se développer dans l’ensemble de la structure routière, seule la couche de fondation a été considérée dans cette étude. Afin d’améliorer les connaissances sur la déformation permanente à long terme des matériaux granulaires sollicités aux changements saisonniers nordiques, quatre sources granulaires de fondation (MG-20) typique du Québec (grauwacke, gneiss granitique, calcaire et basalte) ont été soumises à des essais de déformation permanente en laboratoire. Ces essais ont été réalisés à l’aide de deux appareils : la presse hydraulique à chargement répété et le simulateur à charge roulante. Les résultats obtenus ont été modélisés selon le modèle de Desden. Ce modèle mathématique est composé de quatre paramètres qui décrivent la phase de post compaction (a), le taux de déformation permanente (b) et la phase de rupture (c et d). Les principaux résultats de déformation permanente montrent que la composition minéralogique, la granulométrie, le degré de saturation (%SR) et la variation des conditions environnementales influencent le comportement plastique d’un matériau granulaire (MG). En effet, les résultats montrent que la composition minéralogique peut provoquer une augmentation de 62% du paramètre b pour une même teneur en eau et que de passer d’une granulométrie grossière à une granulométrie plus sableuse peut entrainer une augmentation moyenne de 30,75% du paramètre b. De plus, les résultats montrent qu’une variation du degré de saturation peut entraîner une augmentation de la déformation permanente de 147%. Les essais réalisés en condition de gel et de dégel ont également montré que le cycle de gel et dégel a un effet direct sur le paramètre de post compaction. Un essai au simulateur à charge roulante a été effectué dans le but de valider les résultats obtenus en condition triaxiale. Les résultats montrent que le simulateur provoque à l’échantillon une déformation permanente plus importante que celle enregistrée en condition triaxiale. Cependant, la phase de post compaction reste très similaire, peu importe l’instrumentation utilisée. Cette étude constitue un premier essai au Canada quant à l’application d’une charge roulante mobile en contexte de gel et dégel. Deux relations de corrélation entre les paramètres a et b du modèle de Dresden et les propriétés de base des matériaux granulaires ont été développées. La première relation développée est une relation de type linéaire qui relie le paramètre de post compaction (a) et la variable complexe nfopt et ce. La seconde relation développée est également de type linéaire et lie le paramètre b et le degré de saturation, le pourcentage de fracturation, le coefficient d’uniformité et la masse volumique sèche du matériau. L’intégration des deux relations de corrélation dans la relation mathématique de Sweere a permis de développer une relation de prédiction de déformation permanente à long terme.