Cette étude se concentre sur l’étude de l’influence de la granulométrie des matériaux de protection contre le gel sur le transfert thermique dans les chaussées. Elle se base sur la modélisation d'une structure de chaussée, avec le logiciel Flexpde, en choisissant différentes régions de la Norvège. La température normale d'une période de 30 ans s’étalant de 1980 jusqu’à 2010, ainsi que l’année la plus froide (condition extrême) ont été choisies pour chaque région comme étant la température de l’air. Par l’intermédiaire d’un facteur N, cette température est liée à la température de la surface qui sera imposée par la suite comme conditions aux limites.Tout d’abord, une démarche de validation a été faite pour trois cas d’étude. Le premier cas consiste à modéliser un problème de transfert de chaleur par la conduction pure qui considère le changement de phase d’eau liquide. La solution analytique étudiée pour ce cas est le problème de Neumann. Le deuxième cas consiste à modéliser un problème de transfert de chaleur par convection naturelle en régime permanent dans une cellule adiabatique chauffée par le bas, qui génère un mouvement circulaire de l’air. La cellule adiabatique est modélisée en 2D (1m x 1m). La température imposée en haut et en bas du matériau est symétrique par rapport à la température de référence. Finalement, le troisième cas consiste à reproduire numériquement une structure de chaussée expérimentée à Røros/Norvège pour évaluer l’évolution de la profondeur de gel durant l’hiver pour l’année 2017/2018. Ensuite une étude de structure de chaussée comprenant une couche d’asphalte, une couche de base, une couche de sous-base et une couche de protection contre le gel (Frost protection layer) ainsi que le sol naturel a été modélisée en variant les conditions climatiques imposées selon les régions étudiées en Norvège.

Le présent projet vise l’étude des techniques de mise en place et du comportement mécanique en déformation permanente des matériaux de type MR5 produits par le retraitement en place des chaussées. Une revue exhaustive des guides et méthodes de mise en place a été effectuée. L’usage d’un rouleau compacteur vibrant de type pieds-de-mouton est généralement recommandé pour ces travaux et n’est toutefois pas utilisé au Québec, lors de chantier de retraitement en place. Un volet in situ du projet a permis d’étudier l’effet de ce rouleau sur le compactage d’un matériau de type MR5 et MG20, de nature granitique, par le biais de planches de référence. Ce rouleau a été comparé avec un rouleau lisse standard et un gain a été observé au niveau de l’atteinte d’une densité élevée en fond de couche. Il a aussi été observé que l’usage du rouleau en mode vibratoire procure une performance de compactage très supérieure par rapport à un compactage sans vibration. Des essais au simulateur de chargement routier de l’Université Laval ont permis d’observer la sensibilité à la déformation permanente plus élevée du matériau MR5, par rapport à un matériau usuel de fondation de type MG20. Aussi, il a été observé lors de ces essais que la présence d’un gradient vertical de densité engendre une réduction de la durée de vie d’une chaussée, principalement lorsqu’une contrainte de surface élevée est appliquée. De plus, un programme d’essais triaxiaux a permis d’observer l’effet considérable d’un faible niveau de compacité ou de la présence d’une zone sous-densifiée en fond de couche sur l’accumulation et le taux de déformation permanente d’un matériau granulaire de fondation. Ces essais ont aussi permis d’étudier la sensibilité plus élevée d’un matériau recyclé MR5, de nature granitique, par rapport à un matériau recyclé comparable, de nature calcaire.

La conception de la structure d’une chaussée dépend en grande partie des caractéristiques du sol qui constituera l’infrastructure, telles que ses propriétés mécaniques réversibles et sa sensibilité à l’eau et au gel. Ces paramètres peuvent être mesurés en laboratoire grâce à l’exécution d’essais très fiables, mais laborieux et dispendieux comme par exemple les essais en cellule triaxiale et celui du potentiel de ségrégation en cellule de gel. L’utilisation des équipements portatifs, comme le déflectomètre LWD et le Percomètre®, permet d’effectuer une évaluation des propriétés du sol. Dix types de sols d’infrastructure ont été testés en laboratoire; les résultats ont été validés avec des essais in situ et corrélés avec les modules réversibles et les potentiels de ségrégation obtenus en laboratoire. Des modèles mathématiques ont été développés permettant une quantification adéquate du module réversible et du potentiel de ségrégation en fonction des propriétés géotechniques du sol.

Le projet de maîtrise présenté consiste en l'étude comparative de la performance en laboratoire de matériaux granulaires (MG) stabilisés. Les travaux ont été réalisés en laboratoire à l'aide d'essais de cisaillement direct et indirect par compression non confiné sur un MG-20B. Les paramètres variés lors de l'étude sont la concentration, la teneur en eau, la proportion et le pourcentage de particules fines. Les matériaux stabilisant expérimentés proviennent de trois familles de produits : agents d'agglomération de particules (ciment type-GU), agents de cohésion chimiques (CaCb et saumure naturelle) et autres agents (polymères). Les essais ont permis de définir une matrice de produits stabilisants qui sera utilisée pour les essais à l'aide du Simulateur climatique et mécanique. Elle comprend les deux types de produits soit les produits abat-poussières (CaCh, saumure naturelle et polymère) et les produits stabilisants (ciment, polymère). Cette matrice servira lors des prochains essais en laboratoire et sur le terrain.

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.

L’une des raisons de la dégradation prématurée des routes en Amérique du Nord serait les propriétés mécaniques inadéquates des matériaux. Devant le peu d’informations sur le comportement anisotrope des matériaux granulaires dans la littérature, le service des matériaux d’infrastructure du ministère des Transports du Québec a accepté de soutenir le projet (GE-004-09) qui porte sur la détermination du module réversible des matériaux granulaires utilisés pour construire les fondations des routes. Les études montrent que le module réversible (MR) des sols de chaussée est un paramètre essentiel pour le dimensionnement et l’analyse des chaussées revêtues d’enrobé. Selon la méthode de conception (AASHTO, 2002), les différentes couches de la structure de la chaussée sont choisies et dimensionnées de façon à ce que la couche d’infrastructure reste dans la limite des tolérances des déformations élastiques. Afin de déterminer le MR, des essais triaxiaux et pressiométriques ont été effectués dans les installations du ministère des Transports du Québec. Les essais pressiométriques ont été réalisés dans un moule compacteur, conçu spécialement pour effectuer les essais verticaux et horizontaux. Les résultats obtenus des essais pressiométriques diffèrent de ceux des essais triaxiaux (13 kg de matériau granulaire). Des valeurs obtenues à partir de l’essai pressiométrique sur un matériau représentatif de chaussée (72 kg) démontrent qu’il y a une évidence d’anisotropie stucturale dans la fondation et la sous-fondation. Il ressort que le rapport d’anisotropie (Er/Ez ) est à peu près égal à 15 %, ce qui concorde avec celui de Tutumluer et al., (2003). Finalement, l’essai pressiométrique est très prometteur car il permet non seulement la détermination de l’anisotropie, mais il permet à l’ingénieur de développer une confiance dans les résultats à cause de la forme de la courbe pression-volume. / One reason for the premature deterioration of roads in North America is inadequate mechanical properties of materials. Given the limited information on the anisotropic behavior of granular materials in the literature, the « Service des matériaux d’infrastructure du ministère des Transports du Québec » agreed to support the project (GE-004-09) which relates to the determination of resilient modulus of granular materials used to build the foundations of roads. Studies show that the resilient modulus of pavement soils is a key parameter for the design and analysis of paved asphalt roads. According to the design method (AASHTO, 2002), the different layers of the pavement structure are dimensioned so that the infrastructure layer remains within tolerated limits of elastic deformations. In order to determine the resilient modulus, triaxial and pressuremeter tests were performed in the facilities of the « Ministère des transports du Québec ». Pressuremeter tests were carried out in a mold compactor, designed specifically for vertical and horizontal testing. The results of pressuremeter tests differ from those (13 kg of granular material) of the triaxial tests. Values obtained from the pressuremeter tests on representative road material (72 kg), demonstrate the existence of structural anisotropy in the foundation and subgrade sections. It appears that the anisotropic ratio (Er/Ez) is roughly equal to 15%, which is consistent with results obtained by Tutumluer et al., (2003). Finally the pressuremeter test is very promising because, not only does it allows for the determination of anisotropy, but also allows the engineer to develop confidence in the results due to the shape of the pressure-volume curve.

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.