L’entrée en scène des rouleaux compacteurs « intelligents » (CI)
Les exigences des donneurs d’ouvrage étant toujours plus élevées, les critères de performance opérationnelle des projets et les normes s’y rattachant tendent à intégrer de plus hauts standards de qualité. Dès lors, la recherche perpétuelle d’amélioration est indispensable dans les projets de construction. Cependant, certains négligent le fait que ce secteur de l’industrie est soumis au darwinisme technologique. En effet, l’innovation dans les technologies est sans doute une des stratégies d’affaires les plus salutaires pour la survie des entreprises. L’intégration des nouvelles technologies est vitale pour plusieurs secteurs industriels, et malgré son apparente lenteur d’adaptation à l’ère numérique, celui de la construction n’y échappe pas.
À ce sujet, l’Ontario Construction Secretariat révélait dans un récent sondage que les entrepreneurs en construction croient que les nouvelles technologies sont essentielles pour l’avenir de leur entreprise. D’ailleurs, la collecte de données de chantiers et les technologies d’automatisation sont deux axes importants autour desquels doivent s’articuler les initiatives technologiques de l’industrie de la construction. On parle expressément de la robotisation de certains instruments, de l’utilisation de systèmes de positionnement GPS, du développement de logiciels de traitement de données, de l’intégration de l’informatique infonuagique, de l’instrumentation de la machinerie lourde, etc.
Dans le cadre des travaux de la table de consultation « compaction des enrobés bitumineux » regroupant l’Association des constructeurs de routes et grands travaux du Québec (ACRGTQ) et le ministère des Transports du Québec (MTQ), les membres qui siègent à cette table ont vu l’intérêt d’intégrer, par l’entremise d’un projet pilote, et donc, en conditions réelles, de nouvelles technologies aptes à améliorer la performance des routes. L’objectif principal des travaux de cette table consiste à évaluer certains aspects de la mise en œuvre et du contrôle de la qualité ayant un impact sur la compacité des enrobés et donc sur leur performance à court terme. Ce sont donc les équipements de compaction dite « intelligente » qui ont été proposés. Il s’agit d’une technologie de grand intérêt, tant pour le Ministère que pour les entrepreneurs en voirie.
Pourquoi innover dans les techniques de compactage ?
Il faut d’abord savoir que le compactage est l’une des étapes les plus importantes des travaux de pavage. Elle sera garante de la stabilité structurelle du produit fini. Son processus permet la densification de la matrice granulaire des enrobés bitumineux, réduisant par le fait même la quantité des vides présents dans le mélange. Une compaction suffisante et homogène assurera la performance des chaussées revêtues d’enrobés bitumineux, le confort au roulement, la prévention des ornières et de la fissuration et donnera aux revêtements ses propriétés imperméables, lui assurant ainsi une durée de vie plus élevée en évitant toute forme d’infiltration. Le contrôle de l’énergie de compactage appliquée et la couverture complète de la surface à compacter sont aussi des facteurs importants à considérer dans la mise en œuvre.
Parallèlement, lorsque des travaux de pavage et particulièrement de compaction sont exécutés, certains éléments peuvent occasionner des frais inutiles en main-d’œuvre et en carburant, voire même l’imposition de pénalités importantes par les donneurs d’ouvrage, pour des problèmes reliés par exemple à la sous-compaction (phénomène de postcompaction) ou à la surcompaction (fragmentation des granulats et ressuage) affectant la performance des chaussées.
De plus, malgré leurs qualifications, les opérateurs de rouleaux compacteurs travaillent souvent par automatisme, et les exigences techniques à atteindre, tout comme les différents modus operandi liés aux conditions particulières de terrain, ne sont pas toujours maîtrisés. Dans ce cas-ci, il s’agit plus précisément de l’énergie de compaction à mettre pour densifier les matériaux, du suivi du nombre de passes effectives du rouleau, de la fenêtre de temps alloué à la réalisation, etc. C’est dans l’univers du génie civil et de la voirie, qu’entre en jeu le Web 3.0, c’est-à-dire l’Internet des objets connectés. Entrent donc en scène des rouleaux compacteurs « intelligents ».
Qu’est-ce que le compactage intelligent?
Le compactage intelligent (CI) fait référence au compactage des matériaux de la route, tels les sols, les bases granulaires ou les revêtements de béton bitumineux effectué au moyen d’un rouleau compacteur équipé d’un ordinateur embarqué avec écran d’affichage, d’un système de positionnement et de dispositifs de mesure, comme un accéléromètre et des capteurs thermiques.
En effet, la technologie de compaction intelligente associe des fonctions de mesures prises en temps réel, de guidage en cabine et de création de rapports en vue d’atteindre les spécifications de compactage. Ces dispositifs de mesure, de documentation et de contrôle permettent d’optimiser le travail des opérateurs pendant le processus et d’atteindre des résultats plus rapides et uniformes. De plus, le système de documentation embarqué facilite, pour le maître d’œuvre et ses gestionnaires, l’étude des performances d’exploitation, et accroît le niveau de confiance du client face à l’atteinte des exigences techniques globales.
En somme, par un enregistrement continu des tracés, la technologie de la compaction intelligente permet à l’opérateur, au gestionnaire ou au surveillant, par le biais de l’« infonuagique », de visualiser l’emplacement précis du rouleau et le nombre de passes de l’équipement, et d’avoir une idée de la rigidité des matériaux ainsi que des températures de surface dans les travaux de pavage. Pour y parvenir et conférer son « intelligence » à l’équipement de compactage, les composantes de base doivent toutefois être réunies.
Exigences et détails du système
Afin de maintenir la machine dans la plage de température appropriée, les températures de surface sont mesurées par des capteurs thermiques. Ainsi, l’opérateur sera informé du moment où il doit commencer à rouler et de celui où il doit s’arrêter.
Les mouvements de l’équipement sont suivis à l’aide d’un système de positionnement GPS. En ce qui concerne la localisation, plusieurs options sont offertes en fonction du niveau de précision désiré, soit : le système autonome, le SBAS (Satellite Based Augmentation System) et le référencement RTK (Real Time Kinematic).
Le rouleau doit également être muni d’un accéléromètre. Ce dispositif, installé dans le cylindre d’acier, est issu des principes de l’énergie vibratoire et mesure essentiellement la réaction des matériaux aux impacts du cylindre. En effet, le rebondissement des ondes d’impact augmente avec la dureté (densité), tandis que les vides les absorbent. Cette mesure permet d’apprécier l’état de rigidité des matériaux en place. En outre, par un ajustement automatique, le système peut optimiser l’énergie de compactage (amplitude et fréquence) et ainsi réduire le nombre de passes nécessaires pour obtenir les valeurs cibles de la même façon qu’il prévient la surcompaction (fragmentation des granulats). Ce système permet également l’identification de zones faibles parmi les couches granulaires, préalablement aux travaux de pose d’enrobés. Cette étape cruciale permet de minimiser les mouvements des couches supérieures et d’augmenter augmentant par le fait même la longévité de la route.
Ensuite, un ordinateur embarqué muni d’un moniteur en cabine permet d’assembler les données récupérées « en temps réel » et de les afficher au moyen d’un code de couleurs qui simplifie d’ailleurs les opérations de nuit pour les conducteurs de rouleaux. Par exemple, en mode de suivi quantitatif des passages, chaque addition fera passer le code du jaune au vert, du vert au bleu et du bleu au mauve, etc., jusqu’à la couleur confirmant le nombre de passages ciblé. Cela permet de plus de localiser les zones oubliées, trop compactées (dépassement de la cible évaluée) ou en déficit de compaction (sous la cible évaluée). Ajoutons que ce système affichera la progression en temps réel de plusieurs machines en relation les unes avec les autres sur un même projet, ce qui améliore l’efficacité du travail des compacteurs opérant en quinconce.
Analyse des données
À partir du moment où le travail a été effectué par l’opérateur, les données seront automatiquement transférées dans le nuage (ici VisionLink, logiciel des produits Trimble) via Internet, ce qui évite les déplacements et les pertes de données. Le logiciel d’analyse permet d’effectuer des montages, une superposition de données, des tests de points et des analyses pour l’obtention des rapports détaillés en ce qui a trait au nombre de passes, à la température, à la vitesse de compaction et aux données d’accéléromètre (CMV). Il permet également de déterminer les coordonnées précises du projet, et ce, pour chacune des données. Celles-ci seront archivées pour être utilisées ultérieurement. Par exemple, si un problème survient sur la chaussée quelques années plus tard, une corrélation sera alors possible. De plus en plus adopté par les ministères des transports américains, le logiciel « VETA » tend à augmenter ses parts de marché. Notons également que les spécifications de CI de la Federal Highway Administration et de l’AASHTO exigent ce logiciel d’analyse.
Survol du compactage intelligent aux États-Unis
Dans un esprit d’initiative technologique et par des efforts concertés, plusieurs acteurs de l’industrie de la voirie aux États-Unis testent, développent et font rayonner la compaction intelligente. Ces travaux de recherche et de développement ont d’ailleurs mené à la création d’un site web (http://www.intelligentcompaction.com/) qui regroupe les principales ressources en la matière (information, recherches, formation, etc.) ainsi qu’à la création du logiciel d’analyse des données issues du compactage intelligent, soit « VETA ».
Cette technologie est utilisée dans plus de 30 États américains. Le département de transport du Minnesota (MnDot), celui de la Californie (CalTrans) et celui du Missouri sont les chefs de file en la matière. En effet, ils constatent depuis environ 2014 la valeur ajoutée qu’apporte cette technologie dans leurs projets routiers, par exemple pour les projets d’enrobé à chaud, de retraitement à froid et de décohésionnement avec stabilisation. D’ailleurs, Hydro-Québec a aussi vu l’intérêt d’intégrer contractuellement cette technologie à ses projets, notamment pour la compaction des sols du projet du complexe de la Romaine IV.
Reconnaissant le fort potentiel de cette technologie, la Federal Higway administration (FHWA) a soutenu financièrement le développement du CI, ce qui a mené à plusieurs projets pilotes qui, par leurs résultats prometteurs, ont permis d’objectiver son déploiement à grande échelle dans les marchés publics. Le CI aurait effectivement permis de réduire l’occurrence des problèmes reliés à la mise en œuvre des travaux d’asphaltage, dont celui du non-respect du plan de compactage souhaité pour l’obtention d’une compaction optimale et uniforme et des températures y étant associées. D’ailleurs, dans le but de concrétiser l’utilisation à grande échelle et à long terme du CI, CalTrans prépare, pour 2019, une étude coûts-bénéfices.
Cependant, les défis posés par la transition technologique sont considérables. La résistance aux changements, la courbe d’apprentissage, la formation approfondie, etc. comptent parmi les éléments à considérer. En réponse à ce constat, les départements de transport américains qui sont les chefs de file en matière de CI ont établi avec les entrepreneurs, les fournisseurs et leurs professionnels mandataires un plan d’action et un échéancier pour réaliser cette transition (consultations, formations et immobilisation). Il s’agit d’une feuille de route indiquant annuellement le nombre de projets envisagés avec le CI. D’ailleurs, le MnDot, qui compte intégrer le CI à 100 % dans ses projets dès 2019, assure le bon déroulement de cette transition et offre régulièrement de la formation. Notons ici que le matériel de technologie de compactage intelligent et son utilisation sont d’ailleurs assurés par un paiement forfaitaire prévu au bordereau de soumission des entrepreneurs.
Objectifs et perspectives
Devant la pertinence des technologies regroupées sous la compaction intelligente, l’ACRGTQ a travaillé, en 2018, à la création de partenariats avec des équipementiers fournissant cette technologie au Québec, afin que ce type d’équipement novateur puisse évoluer sur les chantiers du MTQ. À ce titre, TOROMONT-CAT, fournisseur de rouleaux compacteurs munis de ladite technologie et SITECH, fournisseur de dispositifs de « retrofit » pour les rouleaux de toute marque, a été le premier à s’engager dans le processus.
L’objectif de l’intégration de la CI dans l’univers du génie civil et de la voirie au Québec était de voir si cette avancée technologique est vraiment apte à favoriser un meilleur contrôle de la mise en œuvre des enrobés et, par le fait même, la construction de routes plus performantes et plus durables. Le cas échéant, avec plus de projets pilotes concluants au Québec, la compaction intelligente pourrait devenir essentielle aux acteurs de l’industrie de la voirie, tout comme a pu l’être, il y a quelques années, le véhicule de transfert de matériaux (VTM), aujourd’hui indispensable à toute pose homogène et continue des enrobés bitumineux.
Beaucoup de travail reste à faire au sein de l’industrie afin d’aboutir au niveau de maîtrise atteinte par le Minnesota en matière de compactage intelligent. C’est pourquoi le secteur du génie civil et de la voirie de l’industrie de la construction mobilisera ses efforts et collaborera avec les donneurs d’ouvrage pour atteindre les objectifs fixés et se montrera également réactif face aux changements à venir.
