Experimental and Life Cycle assessment of RAP modified with Fe2O3 and Waste Cooking Oil Admixtures

Résumé technique : Étude expérimentale et analyse du cycle de vie de l'enrobé RAP modifié par des adjuvants à base de Fe2O3 et d'huile de cuisson usagée

Énoncé du problème
Les chaussées bitumineuses souffrent fréquemment de dégradations telles que la fissuration thermique à basse température, l'orniérage à haute température et les dommages dus à l'humidité, causés par le trafic intense, les défaillances de construction et les facteurs environnementaux. Bien que les additifs pour l'asphalte puissent améliorer les performances, les modificateurs uniques améliorent rarement toutes les propriétés simultanément. De plus, l'industrie de la construction routière dépend fortement des ressources naturelles et de processus énergivores, contribuant ainsi de manière significative à la pollution environnementale. Bien que l'enrobé d'asphalte de récupération (RAP), l'huile de cuisson usagée (WCO) et le Nano Fe2O3 aient été étudiés individuellement, il existe un manque de recherche concernant leur application composite dans les mélanges RAP et la quantification systématique de leurs impacts mécaniques et environnementaux combinés.

Méthodologie
Cette étude a employé une approche de modification à double adjuvant pour évaluer les mélanges d'asphalte RAP. Cinq mélanges distincts ont été préparés et testés :

1. Mélange témoin (bitume vierge).
2. Mélange RAP (20 % de RAP).
3. Mélange RAP modifié avec de l'huile de cuisson usagée (WCO) à des dosages variables (5 %, 7 %, 9 %).
4. Mélange RAP modifié avec du Nano Fe2O3 à des dosages variables (2 %, 3 %, 4 %).
5. Mélange RAP avec un composite de Nano Fe2O3 et de WCO.

Évaluation expérimentale :

• Préparation des spécimens : Une méthode de mélange à sec a été utilisée. Les granulats ont été chauffés à 175 °C, mélangés aux additifs, suivis du bitume vierge (grade 60/70) à 160–170 °C, puis du filler.
• Essais mécaniques :
  • Essai Marshall : Détermination du dosage optimal en liant, de la stabilité, de l'écoulement, de la densité et des vides d'air.
  • Essai de suivi de roue (Hamburg) : Évaluation de la résistance à l'orniérage à 60 °C sous une pression de 0,7 MPa.
  • Immersion Marshall : Évaluation de la résistance aux dommages dus à l'humidité (Ratio de sensibilité à l'humidité - MSR).
  • Résistance à la traction indirecte (ITS) : Mesure de la résistance à la fissuration à basse température à -5 °C.
• Analyse du cycle de vie (ACV) :
  • Unité fonctionnelle : Longueur de 1 km × largeur de 1 m de la couche de roulement (durée de vie de conception de 15 ans, 20 000 véhicules/jour).
  • Limites du système : Incluaient la production de matières premières, la fabrication du mélange bitumineux, le transport et la construction de la couche de roulement. Excluaient les phases de conception, d'utilisation et de fin de vie.
  • Outils et données : Logiciel SimaPro 9.1.0 avec la base de données Ecoinvent (V 3.6) et la méthode d'évaluation d'impact CML2001.
  • Catégories d'impact : Évaluation de 10 catégories, dont le potentiel de réchauffement global (GWP), l'acidification (AP), l'eutrophisation (EP), l'appauvrissement de la couche d'ozone (OLD) et diverses potentiels de toxicité.

Résultats clés

• Performance mécanique :
  • Résistance à l'orniérage : Le Nano Fe2O3 a considérablement amélioré la résistance à l'orniérage. Le mélange composite (M8) a obtenu la plus grande amélioration, réduisant la profondeur d'ornière de 38,60 % par rapport au témoin. Le WCO seul a légèrement augmenté la profondeur d'ornière.
  • Fissuration à basse température : Le WCO a démontré un effet supérieur sur la résistance à la fissuration thermique par rapport au Nano Fe2O3. Le mélange composite (M8) a enregistré la résistance à la traction indirecte (ITS) la plus élevée, avec une amélioration de 30,21 % par rapport au témoin.
  • Résistance à l'humidité : Le Nano Fe2O3 a montré un effet plus important sur la résistance aux dommages dus à l'humidité que le WCO. Le mélange composite (M8) a obtenu le ratio de sensibilité à l'humidité (MSR) le plus élevé, soit une augmentation de 8,24 % par rapport au témoin.
  • Dosages optimaux : Sur la base des résultats de l'essai Marshall, 4 % de Nano Fe2O3 (M4) et 9 % de WCO (M7) ont été identifiés comme les dosages optimaux pour les mélanges à modificateur unique.
• Performance environnementale (ACV) :
  • Modificateurs uniques : Le mélange RAP (M1) a amélioré les impacts environnementaux dans toutes les catégories par rapport au témoin. Le mélange à base de Nano Fe2O3 (M4) présentait le meilleur profil environnemental global parmi les mélanges modifiés, bien qu'il ait montré des impacts négatifs mineurs dans les catégories EP, GWP, TETP et OLD. Le mélange WCO (M7) a également amélioré le profil mais a présenté des impacts négatifs dans des catégories similaires.
  • Modificateur composite : Le mélange composite (M8) a généralement amélioré le profil environnemental par rapport au témoin mais a affiché les impacts négatifs les plus élevés dans plusieurs catégories (TETP, AP, EP, OLD, GWP) par rapport aux autres mélanges modifiés.
  • Contributions des processus : La production de bitume est le principal moteur pour l'AP, l'EP, le GWP, l'HTP, le FWETP, le MAETP et le POFP. La fabrication du mélange d'asphalte a entraîné les impacts OLD, tandis que le transport a entraîné l'ADP et le TETP.
  • Pondération : En utilisant une méthode de pondération par panel canadien, tous les mélanges modifiés ont présenté des impacts environnementaux globaux inférieurs à ceux du mélange témoin. Le mélange modifié au Nano Fe2O3 (M4) présentait l'impact environnemental global le plus faible, suivi du mélange composite (M8).

Signification et affirmations
Les auteurs affirment que cette étude constitue la première investigation systématique de la modification composite du RAP par l'utilisation conjointe de WCO et de Nano Fe2O3. La recherche démontre que si les additifs uniques ont des forces spécifiques (Nano Fe2O3 pour l'orniérage et l'humidité ; WCO pour la fissuration à basse température), une approche composite produit la meilleure performance mécanique globale, améliorant significativement la résistance à l'orniérage, la stabilité à l'humidité et la résistance à la fissuration thermique simultanément.

Concernant la durabilité environnementale, l'étude conclut que bien que le mélange composite offre des propriétés mécaniques supérieures, la modification simple au Nano Fe2O3 offre le profil environnemental global le plus favorable lorsque les catégories d'impact pondérées sont prises en compte. L'article affirme que les adjuvants composites constituent une stratégie viable pour améliorer l'efficacité globale et la durée de vie des mélanges d'asphalte sans compromettre la durabilité environnementale, fournissant des données pour soutenir la prise de décision des politiques de construction routière en Égypte et dans des contextes similaires. Les auteurs soulignent qu'aucun additif unique ne peut améliorer toutes les propriétés du mélange, justifiant ainsi le besoin de solutions composites.