Lutte contre les îlots de chaleur urbains : essais de caractérisation des matériaux de voirie
En 2021, le laboratoire de la Métropole de Lyon et la société Eiffage Route ont joint leurs efforts afin de procéder à la caractérisation thermique et photométrique de différents matériaux de voirie. Ces nouveaux essais ont pour objectif de qualifier le rôle joué par ces revêtements dans le phénomène d’îlot de chaleur urbain et leur pertinence pour le limiter.
• Les essais novateurs réalisés ont produit des résultats importants, comme la corrélation entre la clarté et l’albédo, ainsi que l’influence de la porosité des matériaux sur leurs propriétés thermiques.
• Ces résultats permettent de dessiner les contours du matériau de voirie le plus propice à la lutte contre les ICU, dans la mesure où son usage est adapté au contexte de l’aménagement réalisé.
• Les auteurs insistent sur l’importance des démarches systémiques, incluant non seulement le choix de matériaux de voirie pertinents, mais également la bonne gestion de l’eau et la végétalisation, qui sont tout autant, voire plus efficaces pour limiter la surchauffe urbaine.
Le dérèglement climatique constaté à l’échelle planétaire s’accompagne d’épisodes caniculaires dont la fréquence et les intensités s’accroissent1. Outre l’inconfort et la sensation étouffante qu’elles génèrent, ces fortes chaleurs pèsent régulièrement sur les espaces fermés des villes et créent des îlots de chaleur urbain (ICU), auxquels participent également les émissions de chaleur dites anthropiques2, liées aux activités humaines (transport, industrie...). Le phénomène d’ICU se caractérise par un échauffement plus important au cœur des villes qu’en périphérie le jour (figure 1)3, mais aussi un refroidissement plus lent la nuit (figure 2)4.
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Cette chaleur entraîne une dégradation de la qualité du sommeil pouvant provoquer des problèmes de santé publique, en particulier chez les personnes fragiles ou sensibles. Elle est aussi à l’origine d’une surconsommation d’énergie pour refroidir les bâtiments, menant à une émission plus importante des particules polluantes, qui altèrent la qualité de l’air en ville5, et à un rejet d’air chaud par les climatiseurs, qui aggravent encore le phénomène d’ICU.
La forme urbaine, composée d’un bâti dense et fortement verticalisé, limite les échanges radiatifs avec le ciel et est à l’origine d’un piégeage favorisant une accumulation de chaleur entre les bâtiments2, dont la présence bloque la circulation d’air qui pourrait l’évacuer. Cette morphologie, désignée par le terme de canyon urbain6-7, participe à la formation des ICU.
Cependant, ce sont surtout les matériaux de construction utilisés en ville, notamment pour les voiries (routes, trottoirs, pistes cyclables, parkings…), qui contribuent le plus fortement à la surchauffe urbaine. Ils jouent en effet un rôle central dans les cycles de stockage/déstockage de l’énergie solaire (figure 3)8, emmagasinant une grande quantité de cette énergie sous forme de chaleur durant la journée et la relarguant durant la nuit.
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Les propriétés thermiques et photométriques de ces matériaux influent sur l’intensité des échanges énergétiques et donc sur la création des ICU. Les surfaces constituées de matériaux sombres présentent ainsi un albédo peu élevé, i.e. une faible faculté à renvoyer le rayonnement qu’elles reçoivent. Elles auront donc tendance à accumuler une plus grande quantité d’énergie et à s’échauffer davantage9-11. La conductivité et la capacité thermique importantes de ces matériaux, essentiellement composés de constituants d’origine minérale, amplifient également ce phénomène.
En France, des initiatives tentent de qualifier ces propriétés dans le cadre de la lutte contre les ICU12-13, mais il n’existe actuellement pas de consensus scientifique concernant les méthodes de caractérisation et donc d'informations fiables sur les matériaux de voirie. Pour y remédier, en 2021, la Métropole de Lyon et Eiffage Route ont entrepris de mettre en commun leurs expériences et de réaliser une campagne d’essais croisés sur différents types de matériaux de voirie. L’objectif est d’évaluer certaines de leurs caractéristiques en laboratoire (colorimétrie, propriétés thermiques) et in situ (albédo, température en surface et en sous-face) afin de mieux comprendre comment ils participent au phénomène d’ICU et peuvent le limiter.
Matériaux
Deux types de revêtement ont été évalués dans le cadre de cette étude :
- une formule dense et sombre constituée d’un BBSG (béton bitumineux semi-grenu) de granulométrie 0/10 mm, représentative des voiries VL/PL ;
- une formule perméable et claire de granulométrie 0/6 mm, assimilable à un BBDr (béton bitumineux drainant), classiquement déployée sur les pistes cyclables, trottoirs et cours d’école.
Les granulats sélectionnés, issus de carrières de la région Auvergne Rhône Alpes, sont de différentes natures minéralogiques :
- gravillon Carrière des Chênes (silico-calcaire) – Drôme ;
- gravillon St Martin Belle Roche (calcaire) – Rhône ;
- gravillon Morel (calcaire) – Isère.
L’influence de matériaux conçus dans une démarche d’économie circulaire et de limitation des impacts environnementaux sur la surchauffe urbaine a également été évaluée. Des variantes de BBSG incluant 30 % d’agrégats d’enrobés recyclés (AER) ont ainsi été incluses dans le programme d’essai. Dans cette même optique, en complément des liants pétroliers conventionnels (bitume pur 35/50 et liant clair synthétique), ont été employés des liants végétaux Biophalt® et BioKlair® (photo 1), incorporant des matières premières biosourcées issues de coproduits de l’industrie papetière. Ces deux innovations Eiffage Route, primées par le Comité innovation routes et rues en 2018 et 2020, ont déjà fait l’objet de publications dans la RGRA14-17.
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Au total, sept mélanges différents ont été évalués (tableau 1). Ils ont été formulés et fabriqués au sein du Centre d’études, de recherche et de formation (CERF) de Corbas, l’un des deux laboratoires centraux d’Eiffage Route. Deux types d’échantillons ont été préparés (photos 2) :
- des plaques de dimension 60x40 cm et d’épaisseur 6 cm pour les formules denses et 3 cm pour les formules perméables, élaborés à la table de compactage MLPC ;
- des éprouvettes cylindriques de 150 mm de diamètre confectionnées à la presse à cisaillement giratoire (PCG).
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Méthodes d'essai
Les mesures réalisées dans le cadre de cette étude, visant à caractériser le comportement thermo-photométrique des matériaux de voirie retenus, sont de quatre types :
- colorimétrie ;
- albédo ;
- propriétés thermiques ;
- températures en surface et en sous-face.
Le tableau 2 synthétise les rôles joués par Eiffage Route et la Métropole de Lyon dans la réalisation de ces essais. Les essais de colorimétrie ont été réalisés par les deux laboratoires sur les plaques 60x40 cm, qui ont par la suite été réutilisées pour les mesures d’albédo et de température en surface et en sous-face. Les éprouvettes cylindriques PCG ont quant à elles été employées pour les mesures des propriétés thermiques.
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Colorimétrie
Cette mesure consiste à évaluer la couleur des revêtements ou, plus exactement, leurs coordonnées dans un espace colorimétrique donné. Celui retenu pour l’étude est le référentiel L*a*b*, qui fait l’objet de la norme NF EN ISO/CIE 11664-418. Les composantes de cet espace chromatique tridimensionnel, souvent représenté schématiquement par une sphère (figure 4), sont :
- la clarté L*, qui correspond à la sensibilité de l’œil pour l’intensité lumineuse, dont les valeurs sont comprises entre 0 (noir, absorption totale) et 100 (blanc, réflexion totale) ;
- le chroma vert-rouge a* s’échelonnant de -120 (vert) à +120 (rouge) ;
- le chroma bleu-jaune b* s’échelonnant également de -120 (bleu) à +120 (jaune) ;
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Cette mesure s’effectue à l’aide d’un appareil appelé colorimètre :
- Le modèle d’Eiffage Route est un Kingwell JZ-650 (photo 3). Les mesures sont réalisées avec un illuminant D65, considéré comme proche de la lumière du jour, sous un angle d'observation de 10°. Le diamètre de mesure est de 8 mm.
- Celui de la Métropole de Lyon est un Chromamètre Konica Minolta CR410, avec un diamètre de mesure de 50 mm, un illuminant D65 et un angle d’observation de 2°.
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L’étude s’est essentiellement focalisée sur le paramètre L*, qui semble le plus pertinent pour juger de la capacité des revêtements à réfléchir le rayonnement qu’ils reçoivent. On s’intéressera notamment à son lien avec l’albédo, abordé dans de précédentes études19.
Albédo
L’appareil de mesure d’albédo utilisé par la Métropole de Lyon est un albédomètre Delta Ohm LP Pyra 06 (photo 4) constitué de deux pyranomètres de 2e classe, conformément à la norme ISO 906020 :
- Le pyranomètre dirigé vers le haut (ciel) mesure le rayonnement global (direct et diffus) incident sur le sol.
- Celui dirigé vers le bas mesure le rayonnement global réfléchi par le sol.
- L’albédo représente la fraction de radiation réfléchie par le sol par rapport à la radiation incidente : il s’agit d’une valeur adimensionnelle comprise entre 0 (pas de réflexion) et 1 (réflexion totale).
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Les mesures ont été réalisées selon la norme ASTM E1918-06 mais ont dû être adaptées en raison de la taille réduite des échantillons. L’albédomètre était placé assez près de l’échantillon et les mesures ont été effectuées en début de matinée pour limiter l’impact de l’ombrage de l’appareil. Cette adaptation a tendance à minimiser la valeur d’albédo obtenue par rapport à la valeur réelle.
La Métropole de Lyon a mis en place un outil dénommé score ICU (développé par la société E6) afin de modéliser, lors d’un projet d’aménagement, l’impact du projet vis-à-vis du phénomène d’ICU, et ce au travers d’un score allant de 0 (efficace contre les ICU) à 1 (favorisant le phénomène). Ce score est calculé à partir d’un plan, dans lequel sont renseignés les matériaux utilisés, leur emplacement et leur surface, ainsi que la présence de végétation ou de point d’eau (figure 5).
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La bibliothèque de matériaux présente dans l’outil étant un peu limitée, il convient de l’enrichir en développant une méthode de notation « rapide » des matériaux vis-à-vis du phénomène ICU. La mesure d’albédo étant assez difficile à mettre en place, des méthodologies plus simples ont été développées (pics de température de surface, lien albédo/clarté).
Propriétés thermiques
Deux grandeurs physiques caractérisant les propriétés thermiques des revêtements ont été déterminées :
- leur conductivité thermique λ, exprimée en W.m-1.K-1 ;
- leur chaleur spécifique (autrement appelée capacité thermique massique) Cp, exprimée en J.K-1.kg-1.
La conductivité thermique λ caractérise la capacité du matériau à conduire la chaleur : un matériau isolant présente ainsi une conductivité faible. La chaleur spécifique représente la capacité du matériau à accumuler de l’énergie lorsque sa température augmente.
Les mesures ont été réalisées grâce à un appareil appelé Hot-Disk (photo 5).
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Grâce à ce dispositif, des mesures suivant la méthode de la source plane transitoire telle que décrite dans la norme NF EN ISO 22007-221 peuvent être réalisées. La mesure consiste à injecter une certaine puissance électrique dans une sonde en forme de spirale plane (photo 6) disposée entre deux échantillons du même matériau à tester. Il en résulte une production de chaleur par effet Joule. Une deuxième sonde, concentrique à la première, mesure l’échauffement du matériau provoqué par cette chaleur.
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Un modèle mathématique décrivant l’évolution de la température du matériau durant le régime transitoire, paramétré par sa conductivité et sa diffusivité thermiques, notées respectivement λ et κ, est calé sur l’échauffement mesuré par l’appareil. Ce calage permet d’accéder à λ et κ par analyse inverse. La connaissance de la masse volumique ρ du matériau aide à déterminer sa chaleur spécifique Cp, ces valeurs étant reliées par l’équation :
Pour la réalisation des mesures, deux lots d’échantillons issus d’éprouvettes confectionnées à la PCG ont été utilisés :
- L’un représente un état de compactage standard du matériau (extraction de l’éprouvette après 40 girations pour les formules perméables et 60 pour les formules denses), représentatif de leur compacité in situ.
- L’autre contribue à apprécier l’effet d’un surcompactage (extraction des éprouvettes après 200 girations).
Les éprouvettes PCG ont été sciées dans leur plan médian et la sonde placée entre les deux moitiés (photo 7).
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Le tableau 3 résume les pourcentages de vides obtenus sur les éprouvettes utilisées pour les mesures. On peut remarquer les pourcentages de vides élevés des éprouvettes de revêtements perméables : c’est justement cette propriété qui leur confère leur caractère poreux et drainant. On constate également la diminution importante du pourcentage de vides lorsque le compactage a été poursuivi jusqu’à 200 girations.
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Températures en surface et en sous-face
L’un des objectifs de l’étude est de caractériser la réponse thermique des revêtements évalués lorsqu’ils sont soumis à un ensoleillement naturel. Les échantillons installés disposent de capteurs de température (sonde PT100) collés en surface et en sous-face pour observer la progression des températures dans l’épaisseur du matériau (photo 8).
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Les mesures de températures sur échantillons sont enregistrées en continu 24h/24 à l’aide d’enregistreurs radio pour constater l’évolution au cours de journée et de nuit (photo 9). Les échantillons sont ensuite isolés à l’aide de béton cellulaire pour limiter les effets de bord et ne laisser que l’échauffement solaire, simulant l’élévation de température d’un matériau utilisé en voirie.
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En parallèle, une station enregistre les données météo pour les corréler aux résultats. Sur cette station sont installés :
- un thermo-hygromètre, indiquant les conditions de température et d’humidité ;
- une sonde globe noir, qui mesure la température dite de rayonnement, dépendant du rayonnement thermique des installations alentours, proche de la température ressentie ;
- un anémomètre à coupelles pour mesurer la vitesse du vent ;
- un pyranomètre mesurant l’intensité du rayonnement solaire.
Résultats
Les revêtements présentés dans le tableau 1 ont été évalués selon les méthodologies détaillées au paragraphe précédent.
Une plaque supplémentaire de CdC 35/50 a été produite puis sablée afin de simuler le décapage dû au trafic, qui contribue à éclaircir les revêtements sombres (photo 10).
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Colorimétrie
La figure 6 présente les résultats des mesures de colorimétrie : en abscisse sont représentées les valeurs de clarté L* obtenues par le CERF de Corbas et en ordonnée celles du laboratoire de la Métropole de Lyon. La droite d’égalité est représentée en pointillés.
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On peut noter que les deux mesures sont bien corrélées, même si la mesure réalisée par le laboratoire d’Eiffage Route tend à sous-estimer la clarté des échantillons dans la plupart des cas. Les différences inhérentes entre les deux appareils, comme le diamètre de mesure ou l’angle d’observation, sont probablement à l’origine de ces disparités. Ce point est en cours d’investigation.
Comme le suggèrent les photos 2, les revêtements à base de bitume 35/50 ou de liant Biophalt présentent des valeurs de clarté L* basses alors que celles des formules à base de liants clairs sont bien plus élevées, attestant de l’importance des liants sur la teinte des mélanges.
La nature minéralogique du granulat joue également un rôle : pour les formules à base de BioKlair, on relève ainsi des clartés bien plus élevées avec les granulats Morel qu’avec ceux de la Carrière des Chênes ou St Martin Belle Roche.
On peut également remarquer l’effet très important du sablage sur une formule initialement sombre : l’opération a permis de multiplier par deux la clarté du BBSG 0/10 Carrière des Chênes, la situant à un niveau comparable à celles des formules à base de granulats Morel et de liants clairs synthétiques et BioKlair.
Albédo
Les mesures d’albédo réalisées dans le cadre de l’étude ont mis en évidence la difficulté de cette mesure in situ, soumise à de nombreux aléas (gestion des conditions d’ensoleillement et des ombres portées en fonction de l’heure de la journée, taille critique des échantillons...). Ces mesures d’albédo ont donc été rapprochées de celles de clarté L* (figure 7), beaucoup plus aisées à réaliser au colorimètre.
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La mise en parallèle de ces mesures a permis de vérifier qu’il existe une relation étroite entre valeurs d’albédo et de clarté, comme en atteste le bon coefficient de corrélation obtenu (0,88). La démarche n’avait pas vocation à établir une formule de correspondance, mais de considérer que la mesure de clarté pouvait être une alternative pour le classement des matériaux vis-à-vis du phénomène ICU. Ce lien avait déjà été mis en évidence lors d’une précédente étude19.
On peut donc logiquement tirer les mêmes conclusions que celles issues des mesures de colorimétrie quant à l’influence de la nature du liant et du granulat sur les performances photométriques des mélanges, ainsi que l’effet du décapage. L’utilisation de revêtements à base de liant clair et de granulats judicieusement sélectionnés est pertinente pour augmenter l’albédo des surfaces et lutter contre l’ICU, mais doit être adaptée au contexte de l’aménagement, car ils peuvent générer de l’inconfort visuel (éblouissement), voire thermique (création d’un flux radiatif du haut vers le bas), s’ils ne sont pas employés aux bons endroits.
Propriétés thermiques
On rappelle que les mesures des propriétés thermiques à l’aide de l’appareil Hot-Disk ont été réalisées sur deux lots d’éprouvettes PCG représentatifs d’un état de compactage standard et d’un surcompactage.
Conductivité λ des revêtements
Sur la figure 8, on peut noter l’influence importante de la compacité sur la valeur de la conductivité thermique. Les quatre formules perméables évaluées présentent ainsi des conductivités beaucoup plus faibles que les formules denses, témoignant de leur pertinence à ne pas conduire la chaleur à leur environnement urbain.
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Quel que soit le matériau considéré, les éprouvettes surcompactées présentent des conductivités significativement plus élevées que celles avec une compacité standard.
La nature du granulat semble également jouer un rôle : les revêtements BioKlair à base de granulats calcaires St Martin Belle Roche et Morel apparaissent moins conducteurs que les granulats silico-calcaire de la Carrière des Chênes.
On observe aussi le rôle de l’ajout d’AER dans les formules denses : la formule CdC 35/50 sans agrégats présente un λ plus élevé que les deux autres variantes avec 30 % de recyclés.
Pour un même squelette granulaire, on note une influence – plus modeste – du type de liant, en particulier pour les formules claires.
Chaleur spécifique Cp des revêtements
Il est plus difficile de tirer des conclusions concernant la chaleur spécifique (figure 9).
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La valeur Cp, qui qualifie la quantité de chaleur stockée par unité de masse dans le matériau lorsque sa température augmente, n’est manifestement pas affectée par la compacité du matériau. On ne remarque en effet aucun écart significatif entre les deux états de compactage, et ce, pour tous les échantillons. Cette propriété semble donc intrinsèque aux caractéristiques physiques des constituants des mélanges.
Toutefois, le choix des granulats et des liants retenus pour l’étude n’a pas mis en évidence de différences notables entre les revêtements, qui présentent presque tous une chaleur spécifique équivalente, autour de 900 J.K-1.kg-1. L’approche devra être complétée en introduisant de nouveaux constituants dans la matériauthèque.
L’homme de l’art pourra toutefois conclure que, cette propriété étant une grandeur massique, les revêtements présentant un faible poids surfacique (matériaux poreux et/ou mis en œuvre en faible épaisseur) seront à favoriser. Cela étant le cas des matériaux de voirie perméables testés, on rejoint alors les conclusions des mesures de conductivité.
Températures en surface et en sous-face
Des mesures de températures en surface et en sous-face ont été enregistrées en continu sur les différents matériaux de voirie testés. La comparaison des résultats permet d’isoler l’impact d’une caractéristique particulière (teinte, porosité…).
Si l’on compare la courbe du CdC 35/50 neuf avec celle de sa variante décapée par sablage, on observe ainsi l’impact de l’albédo du matériau.
Dans l’exemple proposé sur la figure 10 (relevé de températures lors de la journée du 6 septembre 2021, une journée radiative sans vent et avec une faible couverture nuageuse), un gain maximal de 5 °C en température de surface comme en sous-face est constaté, par simple décapage du film de bitume. Cette différence s’observe toutefois aux heures les plus chaudes de la journée, les deux revêtements présentant des températures similaires entre 20h et 8h.
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Si l’on souhaite observer l’impact de la porosité du matériau, on peut cette fois comparer les courbes de températures du CdC 35/50 décapé à celles du CdC BioKlair, les deux matériaux présentent un albédo similaire ainsi que des granulats identiques, mais ont des squelettes granulaires différents (formule dense pour le CdC 35/50 décapé et perméable pour le CdC BioKlair).
La journée du 6 septembre 2021 est de nouveau prise en exemple sur la figure 11 : on note des températures en surface comme en sous-face plus élevées en journée pour la formule perméable – l’écart avec la formule dense est de l’ordre de 6 °C. En revanche, on distingue clairement une décroissance des températures beaucoup plus rapide pour le matériau poreux qui peut s’expliquer par une moindre inertie thermique du fait de sa faible densité et une plus grande effusivité du fait des vides communicants. Cette formule est donc plus pertinente pour le confort thermique de nuit.
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Conclusion
Les travaux présentés dans cet article, menés en synergie au sein du laboratoire de la Métropole de Lyon et du CERF d’Eiffage Route, ont contribué à cerner certaines propriétés de revêtements de voirie influençant le phénomène d’ICU.
L’albédo est un facteur important qui peut limiter la quantité de rayonnement absorbée et donc l’emmagasinement de chaleur. Il reste difficile à déterminer in situ et la mesure de clarté au colorimètre peut constituer une bonne alternative, car ces deux valeurs sont bien corrélées. Le paramètre albédo doit toutefois être utilisé avec prudence : en journée, le rayonnement réfléchi peut avoir un impact négatif sur la température ressentie par l’usager (rayonnement orienté du bas vers le haut) et provoquer une gêne par éblouissement.
Le facteur de porosité a également une influence sur l’échauffement du matériau :
- Ce paramètre pilote la conductivité thermique des matériaux et donc leur faculté à transmettre de la chaleur à leur environnement. Du fait d’une compacité moindre limitant leur chaleur spécifique et donc l’emmagasinement de chaleur au cours de la journée, les matériaux perméables présentent des cinétiques d’échange thermique plus élevées, favorisant un retour à l’équilibre avec la température de l’air plus rapide en soirée (plus forte effusivité, même si leur température de surface peut être plus élevée en journée.
- Il est intéressant pour la désimperméabilisation et la mise en place de gestions alternatives des eaux de pluie (infiltration/stockage à la parcelle), thématiques connexes au traitement des ICU dans le contexte de l’aménagement urbain.
La recherche d’un matériau idéal pour lutter contre les ICU orienterait vers des caractéristiques de clarté, de porosité et de faible épaisseur afin de limiter le stockage de chaleur, mais il est nécessaire de préciser que les bénéfices apportés sont plutôt nocturnes (moindre restitution de chaleur la nuit) et qu’en journée les effets peuvent apporter un inconfort à l’usager (stress thermique lié au rayonnement réfléchi, éblouissement). La question du bon entretien de matériaux clairs (plus salissants) et/ou poreux (plus fragiles), notamment dans un contexte urbain, est également à prendre en compte dans le choix du bon matériau au bon endroit.
Il convient de rappeler que le matériau seul ne peut pas tout : les actions de végétalisation ou d’ombrage, ainsi que la présence d’eau contribuent aussi fortement à lutter efficacement contre les ICU (figure 12).
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Les futurs travaux réalisés dans le cadre du projet national ISSU (Innovations et solutions pour lutter contre la surchauffe urbaine), dans lequel la Métropole de Lyon et Eiffage Route sont fortement impliqués, répondent à la logique qui a prévalu à la réalisation de cette étude. Ils permettront de poursuivre la constitution d’une base de données fiable sur les matériaux, de mieux comprendre leur rôle dans le phénomène de l’ICU et d’affiner les prescriptions aux maîtres d’ouvrage afin d’adapter toujours mieux les espaces publics au climat de demain.
Références
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