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Initiation à la VH

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La température de surface

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publié le 3 août 2005 (modifié le 23 mars 2006)

La nature met en œuvre des processus thermiques d’échange d’énergie pour rétablir les écarts de température issus d’autres phénomènes physiques. L’écoulement de l’énergie s’opère toujours du chaud vers le froid. Entre l’atmosphère et la route plusieurs échanges d’énergie se produisent.

La température de surface (Ts) traduit à chaque instant le niveau de ces échanges. Elle est fortement influencée par les caractéristiques de la chaussée (nature et épaisseur des couches, ouvrages d’art) et par l’environnement (exposition, milieu, humidité de la route locale, etc.).

Le rayonnement

La surface de chaussée est fortement influencée par ce phénomène d’échange thermique positif avec le soleil le jour et négatif avec le ciel (surtout étoilé) la nuit.

La quantité d’énergie reçue ou émise dépend de l’émissivité de la surface du revêtement : plus la chaussée est noire et rugueuse, plus sa capacité à recevoir ou à réémettre du rayonnement est élevée.

Puissance rayonnée par une chaussée dont la surface a un facteur d’émissivité de 0,95
Ts = 10°C E = 346 W.m-2
Ts = 5°C E = 322 W.m-2
Ts = 0°C E = 299 W.m-2
Ts = -5°C E = 278 W.m-2
Ts = -10°C E = 258 W.m-2

En conséquence, une chaussée plus noire (neuve, enrobés très ouverts, gravillons foncés) :

  • s’échauffe plus vite en surface de jour ;
  • se refroidit plus vite de nuit par temps clair ;
    qu’une chaussée plus claire (béton de ciment, polissage important, gravillons clairs).

Le rayonnement réémis par la chaussée diminue avec sa température. Par conséquent, le refroidissement par rayonnement de Ts va se ralentir au cours de la nuit.

 Matériaux  Conductivité thermique
λ : (W.m-1.K-1)
Chaleur massique
C : (kJ.kg-1.K-1)
air 0,02 1
eau 0,06 4
glace 2,25 2
béton bitumineux 2,20 869
enrobé drainant 1,50 995
grave bitume 1,90 869
grave laitier 1,40 964
grave non traitée 1,80 964
béton de ciment 1,80 933

La conduction de la chaleur dans le corps de chaussée

La conductivité thermique d’une chaussée dépend de la nature des matériaux qui la constitue.

Plus sa conductivité est élevée, plus la chaleur s’écoule rapidement. Plus la chaleur massique est importante, plus la quantité d’énergie à déplacer pour échauffer le corps est élevée.

La température de la surface de la chaussée est directement influencée par les conditions atmosphériques mais le corps de chaussée fonctionne comme un amortisseur de ces variations.

Une chaussée très conductive amortit les écarts entre Ta et Ts.
Une chaussée peu conductive amplifie les écarts entre Ta et Ts.
La conduction de la chaleur dans le corps de chaussée
Les revêtements ouverts ont une plus faible conductivité thermique que les revêtements fermés : l’air emprisonné ou immobile constitue une sorte d’isolant thermique.

Entre un béton bitumineux classique fermé (4 à 5 % de vides) et un béton bitumineux drainant très ouvert (25 % de vides) l’écart instantané de température de surface peut dépasser 5 °C en cas de refroidissement brutal et les écarts moyens sur les minima de l’hiver peuvent atteindre 2 °C en défaveur des revêtements drainants.

La convection

Le vent routier traduit le mouvement de l’air par rapport à la surface routière.

On mesure la composante horizontale du vent routier à 3 m au-dessus du plan défini par la surface routière à au moins 2 m du bord de chaussée.

Le vent routier influence le trafic, le transport de la neige, le séchage et la température de la surface du revêtement.

La convection

La convection est l’échange d’énergie en surface qui s’opère ici entre le milieu solide (la chaussée) et le milieu gazeux (l’air). Ce phénomène d’échange est lent.

Un fort vent routier et surtout un trafic poids lourds dense favorisent le brassage de l’air au-dessus de la surface et donc les échanges d’énergie entre l’air et la chaussée par convection forcée . Il s’ensuit un rapprochement de Ta et de Ts.

Le profil de température de surface le long d’un itinéraire

Un appareil du Laboratoire des Ponts et Chaussées appelé "Thermoroute" enregistre en continu à une vitesse de 60 à 80 km/h la température de l’air (Ta), la température de surface (Ts) et la température du point de rosée (Td).

Ces mesures mettent en évidence des écarts importants et rapides de Ts par rapport à Ta dus à des hétérogénéités dans la structure de la chaussée (par exemple à la présence d’ouvrages d’art) et à des variations du milieu environnant (zones d’ombre puis ensoleillée par exemple).

La position de Ts par rapport à Td permet de déterminer les zones propices à la condensation de surface (humidification précoce - séchage tardif).

Profil de température de surface le long d'un itinéraire

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