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 Matériaux d'infrastructureSous cette appellation, on trouve les secteurs d'activité suivants : sols et fondations, granulats, liants hydrocarbonés, enrobés, béton de ciment, physicochimie des matériaux, métallurgie, peinture et produits de signalisation. La recherche dans ces domaines vise à tester des matériaux qui sont à la fois plus performants et plus résistants aux conditions rigoureuses d'utilisation. Grâce à des échanges interlaboratoires, à des relations de partenariat avec les entrepreneurs, à des discussions avec les directions territoriales (bilans) et à de nombreux travaux de recherche, le Laboratoire des chaussées cherche donc à :
L'évaluation, en laboratoire, de la performance des matériaux favorise la conception et la mise au point ainsi que l'utilisation de nouvelles techniques et de nouveaux matériaux. Les sols et fondationsLa tendance actuelle consiste à délaisser les méthodes empiriques pour des méthodes analytiques de dimensionnement des structures de chaussées. Cette approche exige une plus grande compréhension des phénomènes influençant les propriétés mécaniques et hydriques des sols et des matériaux granulaires de fondation, ainsi qu'une détermination plus précise des paramètres représentant ces propriétés. Des travaux de recherche sont réalisés dans le but de classifier, en fonction de leur module réversible, les matériaux de fondations, et ce, pour différents états hydriques caractérisant les variations saisonnières. Ces travaux s'appliquent aux matériaux granulaires, traités ou non, constitués de granulats conventionnels ou de granulats recyclés afin de favoriser une utilisation rationnelle de matériaux granulaires locaux ou, encore, l'utilisation de matériaux recyclés. Un transfert technologique entre le milieu universitaire et le Ministère a permis de mettre au point un appareillage et une méthode d'essai servant à la détermination de la susceptibilité au gel des sols et des matériaux granulaires par la mesure du potentiel de ségrégation. Des travaux additionnels permettront d'évaluer la sensibilité des résultats de cet essai aux divers facteurs liés aussi bien à la nature des matériaux qu'aux caractéristiques techniques de l'appareillage. Des travaux ont aussi été entrepris dans le but de caractériser les particules fines constituant la matrice des sols et des matériaux granulaires ainsi que d'expliquer leur comportement dans la structure de chaussée en fonction de leur état hydrique et de leur réaction au phénomène de gel-dégel. Les granulatsDiverses techniques de revalorisation des matériaux de chaussées sont utilisées pour réduire le rejet de déchets solides dans l'environnement. Le Laboratoire des chaussées élabore des clauses contractuelles, des normes et des procédures d'essais encadrant l'utilisation des matériaux granulaires recyclés contenant des particules de béton bitumineux, de béton de ciment ou de scories d'acier. Les granulats utilisés dans les enrobés en couche de roulement jouent un rôle de première importance dans le phénomène d'adhérence pneus-chaussée. Sous l'effet de la circulation, les granulats en surface tendent à se polir plus ou moins rapidement selon leur nature et leur composition minéralogique. À court ou à moyen terme, selon la densité du trafic, la chaussée peut devenir glissante. Cet aspect fait l'objet de recherches en laboratoire et sur la route dans le but de déterminer les textures de surface et les compositions minéralogiques des matériaux granulaires et d'obtenir des mélanges bitumineux rugueux. Le Laboratoire établit également, au moyen de l'identification des composantes minéralogiques et de l'analyse pétrographique, des cotes de comportement des matériaux granulaires en fonction de l'usage. Ces techniques permettent d'évaluer le potentiel de réactivité alcalis-granulats affectant la longévité des bétons, ainsi que les caractéristiques de surface et de forme des granulats influençant le lien bitume-granulat, la maniabilité et la performance des enrobés bitumineux. Certains phénomènes d'orniérage ou de désenrobage peuvent s'expliquer par l'interaction entre le bitume et les granulats ou d'après la forme des granulats. Les liants hydrocarbonés et les enrobésLe bitume utilisé dans les enrobés confère des propriétés viscoélastiques aux revêtements de chaussées. Un bitume ayant les caractéristiques appropriées assure des performances élevées sur le plan de la résistance à l'orniérage, à la fissuration thermique, à la fissuration de fatigue et à l'arrachement; ces caractéristiques contribuent à la réalisation de revêtements sécuritaires, durables et économiques. La caractérisation conventionnelle des liants hydrocarbonés basée sur de simples mesures de pénétration et de viscosité sur le bitume d'origine n'est pas satisfaisante pour donner un portrait juste des propriétés en service des liants. Depuis 1993, la performance des bitumes à diverses températures de service a fait l'objet d'études poussées en laboratoire. La méthode Superpave de caractérisation des bitumes permet maintenant d'effectuer des choix plus judicieux en fonction des performances attendues pour des gammes de températures de service propres à un climat spécifique grâce à des équipements de pointe (viscosimètre Brookfield, rhéomètre à cisaillement dynamique, rhéomètre de flexion de poutre et appareil de tension directe). De plus, afin de s'assurer que les bitumes maintiennent des performances acceptables dans le temps, les essais sont effectués sur du bitume vieilli à court et à long terme, en laboratoire, au moyen d'un étuvage accéléré en couche mince (simulation du vieillissement à court terme) et d'un vieillissement sous pression (simulation du vieillissement à long terme). Des études sont présentement en cours sur des bitumes modifiés par l'ajout de divers types de polymères. Ces études orientent le Ministère dans ses choix de polymères pour la fabrication d'enrobés. Dans les conditions actuelles d'utilisation, la méthode de formulation traditionnelle (méthode Marshall) donne des enrobés dont les performances, sur les plans de la sécurité et de la durabilité, laissent à désirer même si ces enrobés répondent aux exigences en laboratoire. Le Laboratoire des chaussées a donc élaboré une nouvelle méthode de formulation (méthode LC) basée sur une combinaison d'essais de performance issus de la méthode Superpave, elle-même mise au point dans le cadre du programme SHRP, et de la méthode de formulation française. Cette méthode comporte trois étapes. Le paramètre de la maniabilité de l'enrobé est d'abord évalué. La maniabilité d'un enrobé est une caractéristique primordiale puisqu'elle facilite l'obtention d'un bon uni de la chaussée. La deuxième étape de formulation consiste à établir la résistance à l'orniérage de l'enrobé bitumineux. L'absence d'ornière sur les routes accroît la sécurité des usagers. La troisième étape consiste à mesurer la résistance à la fissuration thermique et par fatigue des enrobés. Étant donné les conditions climatiques rigoureuses régnant au Québec et l'augmentation constante du trafic lourd, les enrobés doivent être de plus en plus résistants à la fissuration. Le Laboratoire travaille également à la conception et à la validation en chantier d'autres formules d'enrobés qui permettront de répondre plus adéquatement aux besoins des usagers et aux contraintes des concepteurs. De plus, afin de maximiser la durée de vie des chaussées routières, le Laboratoire travaille constamment à mettre au point de nouvelles méthodes d'essais et à améliorer les méthodes existantes. Ces travaux de recherche sur les enrobés permettent au ministère des Transports du Québec d'obtenir un meilleur rapport qualité-prix pour la réfection ou la construction des routes du Québec, tout en respectant les trois critères de performance que sont la sécurité des usagers, la durabilité des revêtements et les coûts. Ces travaux et la mise sur pied de la méthode de formulation LC permettent au Québec de se situer avantageusement sur les plans national et international. Le béton de cimentLe béton de ciment est le matériau de base servant à la construction des chaussées rigides et des ouvrages d'art. Les interventions du Ministère consistent principalement à réparer les ouvrages existants endommagés par le trafic, par les conditions climatiques et par la réactivité alcalis-granulats. Le Laboratoire a comme objectifs d'accroître les connaissances sur l'état des ouvrages de béton grâce à la mise au point et à l'intégration des nouvelles technologies, de nouveaux matériaux et de nouvelles méthodes de réparation des ouvrages de béton. Les projets de recherche sont axés principalement sur l'accroissement de la durabilité des ouvrages de béton et sont réalisés en collaboration avec les secteurs privé et universitaire. Le suivi de la performance en chantier des bétons, l'utilisation d'adjuvants et l'utilisation du béton à hautes performances, ainsi que la modification des spécifications qui s'ensuit, constituent un volet important des travaux de recherche. Les nouveaux bétons (bétons autonivelants et bétons confectionnés avec des ciments contenant des ajouts cimentaires comme le laitier de haut fourneau et les cendres volantes) sont actuellement utilisés de manière limitée afin d'en étudier les caractéristiques et les avantages à moyen et à long terme. Dans le domaine de la réfection, la mise au point et l'implantation de la technique du béton projeté par voie sèche ou humide constituent des projets importants. L'utilisation de béton à base de latex pour la confection des chapes de dalles de ponts est un domaine en plein développement. La corrosion des aciers d'armature est la cause majeure de la détérioration des ouvrages. Des études sont en cours afin d'évaluer la pertinence d'utiliser des adjuvants inhibiteurs de corrosion dans les bétons. Dans le domaine de la protection du béton, des travaux sont réalisés sur les membranes d'étanchéité ainsi que sur divers enduits destinés à protéger le béton contre les infiltrations d'eau et de sels de déglaçage. Divers autres produits sont évalués pour maintenir à jour la Liste des matériaux préapprouvés. La chimie des matériauxPour évaluer le comportement des produits et des matériaux utilisés dans les ouvrages d'art et dans les chaussées, il faut non seulement les soumettre à des essais physiques, mais aussi en faire l'analyse chimique. Le Laboratoire assure les services d'analyses, d'essais, d'études et d'expertises physico-chimiques sur les sols et granulats, les liants hydrocarbonés, les enrobés, les ciments, les bétons de ciment ainsi que sur les produits connexes : métaux de structure et d'armature, bois traités, abat-poussière, fondants chimiques, produits pétroliers, produits de traitement de fissures, produits de marquage horizontal et vertical de même que peintures anticorrosion pour structures ou ponceaux métalliques. Le Laboratoire possède également l'équipement et l'expertise requis pour réaliser des essais de spectrophotométrie infrarouge et UV-visible, de spectrométrie de fluorescence des rayons X ainsi que de chromatographie liquide à haute performance. Ces techniques sont nécessaires à la caractérisation des liants hydrocarbonés, à la vérification de la présence de polymères dans les bitumes modifiés extraits des enrobés et à la vérification de la présence de contaminants organiques ou inorganiques dans les bitumes. La métallurgie, la peinture et les produits de signalisationDans ce domaine, le choix des matériaux, des technologies et des méthodes de mise en œuvre doivent faire l'objet d'études approfondies. Le Laboratoire évalue la performance des métaux et des alliages, du caoutchouc de même que des plastiques et des composites afin de déterminer les causes des problèmes relevés et de proposer des améliorations. La corrosion de l'acier ou les défauts de soudage réduisent la durée de vie des ouvrages d'art en affaiblissant certaines composantes de la structure. La fissuration ou la rupture d'une superstructure métallique peut entraîner de graves conséquences, qu'il s'agisse d'un pont ou d'une structure de signalisation aérienne. Des investigations sont réalisées pour caractériser l'acier des vieux ponts construits avant 1975 relativement à la susceptibilité à l'amorçage et à la propagation de fissures. Il est primordial de connaître le comportement de l'acier aux basses températures hivernales. D'autre part, des essais sont réalisés pour vérifier la résistance à la fatigue des structures de signalisation aérienne. Le Laboratoire en corrigera le concept éventuellement pour en prolonger la durée de vie. L'inspection non destructive effectuée à l'étape de la fabrication de charpentes d'acier utilise les rayons X et les particules magnétiques. Le Laboratoire examine la possibilité de les remplacer par des ultrasons 3D au moyen d'équipements automatisés et informatisés. Cette technique est au stade de la mise au point; elle commence à être utilisée pour l'inspection des pipelines et elle doit être adaptée à la construction de ponts d'acier. La méthode permet d'obtenir une information complète en 3D au lieu de 2D, avec enregistrements permanents, tout en éliminant le danger potentiel posé par l'utilisation des rayons X. La galvanisation d'acier à haute résistance n'est pas possible actuellement à cause des risques de fragilisation de l'acier par l'hydrogène à l'étape du décapage à l'acide précédant la galvanisation. Une investigation est réalisée à l'échelle internationale pour vérifier la possibilité de galvaniser les câbles de précontrainte afin de prolonger la vie des poutres en béton et, par conséquent, de l'ensemble de l'ouvrage. La manière de repeindre un pont en acier fait aussi l'objet de projets de recherche et développement. La méthode conventionnelle de préparation de la surface de l'acier consiste à enlever toute la vieille peinture au jet de sable. On doit par la suite éliminer les débris de peinture mélangés au sable, qui sont souvent considérés comme un déchet dangereux. Afin de résoudre ce problème environnemental et opérationnel, deux techniques sont présentement à l'essai, soit l'utilisation d'un jet d'eau sous pression qui n'enlève que la peinture non adhérente et l'utilisation de peintures anticorrosion qui ne nécessitent qu'un minimum de préparation de la surface. La sécurité routière est une priorité pour le Laboratoire des chaussées. C'est pourquoi il consacre une partie de ses activités à des travaux sur les produits de marquage routier, sur les délinéateurs et sur les pellicules réfléchissantes utilisées en signalisation routière. Les produits de marquage à l'alkyde sont encore employés, mais ils ont une faible durée de vie. Ceux utilisés par le Ministère dégagent dans l'atmosphère 1 500 000 kg de composés organiques volatiles par année. Depuis 1999, les nouvelles normes environnementales américaines interdisent ces produits. Il faut donc rechercher des produits de substitution offrant une meilleure performance sous notre climat sur les plans de la durabilité, de la rétroréflexion, de la visibilité par temps de pluie, etc. Ainsi, l'utilisation de la peinture à l'époxy augmente beaucoup. Le Laboratoire évalue systématiquement le comportement des nouveaux produits de signalisation horizontale (marquage de courte, de moyenne ou de longue durée) et verticale (délinéateurs temporaires et permanents). Une cinquantaine de produits font l'objet d'un programme d'homologation au moyen de sites expérimentaux.
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