Le phénomène d’îlot de chaleur urbain (ICU) a pour origine la combinaison d’une activité anthropique et d’une urbanisation de plus en plus importante des villes. Pour les acteurs routiers, penser et construire des infrastructures résilientes au risque climatique est un enjeu capital. Pour y faire face, Eurovia dispose notamment de plusieurs revêtements « clairs » qui limitent la quantité d’énergie absorbée par les revêtements et propose ici un modèle pour relier, à partir d’une simple mesure de couleur d’un enrobé, la luminosité mesurée à la température ressentie.
L’expression « îlot de chaleur urbain » (ICU) fait référence à un phénomène d’élévation de température localisée en milieu urbain par rapport aux zones rurales voisines (figure 1). Ces îlots thermiques sont des microclimats artificiels qui ont pour origine aussi bien la nature des matériaux utilisés, l’augmentation de la part des revêtements minéralisés, la régression induite du couvert végétal en ville, la morphologie urbaine que les activités anthropiques (émissions de chaleur dues à la climatisation, aux gaz d’échappements, aux moteurs à réaction…).
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Les conséquences de ces ICU portent atteinte aussi bien à la santé publique (aggravation des maladies chroniques préexistantes, hausse de la mortalité, stress thermique…) qu’a l’environnement (diminution de la qualité de l’air, hausse de la demande en énergie…). Dans un contexte de réchauffement climatique, le phénomène d’ICU est aujourd’hui pris au sérieux par les aménageurs urbains.
CONTEXTE
Impact des revêtements routiers sur les ICU
Les nombreuses surfaces artificielles des milieux urbanises (routes, aires de stationnement, toits goudronnes, murs de briques...) sont en grande partie composées de matières minérales telles que l’enrobé, l’asphalte et le béton. Durant la journée, ces surfaces absorbent le rayonnement solaire pour le redistribuer sous forme de chaleur dans l’atmosphère durant la nuit, moment où ce phénomène est le plus marque. Cela contribue à augmenter la température, les matériaux pouvant atteindre une température de plus de 70 °C en surface durant la journée.
L’urbanisation croissante des territoires, qui tend à multiplier ces surfaces, est l’un des plus importants facteurs de création des ICU, les routes et les trottoirs constituant environ un tiers des surfaces urbaines. Lutter contre cet effet d’ICU est donc essentiel pour limiter le réchauffement climatique.
Intérêt des matériaux à faible albédo
Parmi les différents paramètres des revêtements routiers jouant sur cet effet d’ICU, l’albédo (ou réflectance solaire) a une influence importante sur le comportement face à la chaleur. L’albédo représente la proportion des rayons réfléchis par une surface par rapport aux rayons solaires incidents. Il s’exprime en fraction de 0 à 1, ou 1 représenterait une surface qui réfléchirait 100 % de l’énergie et 0 une surface qui absorberait entièrement les rayonnements sans aucune réflexion. L’enrobé routier a une valeur d’albédo faible. Il absorbe donc une grande partie des rayons du soleil (entre 80 et 95 %), qu’il accumule sous forme de chaleur et réémet de manière importante.
Pour un acteur du domaine routier, il est donc intéressant de proposer des revêtements à albédo élevé, qui réfléchissent les rayons du soleil beaucoup plus fortement, ce qui limite l’échauffement des surfaces et donc l’accumulation de chaleur susceptible d’être reléguée la nuit.
Relation albédo et température de surface
Il est possible de relier l’albédo à la température de surface d’un revêtement routier. La norme ASTM E19801 propose une relation entre la valeur d’albédo et la température de surface (équation 1) :
Dans cette équation, α représente l’albédo, I le rayonnement solaire incident sur la surface (W.m-²), σ la constante de Stefan-Boltzmann (5,67 x 10-8 W.m-².K-4), ε l’émissivité thermique, Ts la température de la surface (K), Tciel la température du ciel (K), hc le coefficient de convection (W.m-².K-1) et Ta la température de l’air (K).
Objectifs de l’étude
Même s’il existe une relation entre l’albédo et la température de surface, l’essai nécessaire pour mesurer l’albédo des matériaux n’est pas aise à mettre en œuvre et requiert un matériel coûteux et fragile. De plus, ce modelé ne permet pas de faire le lien entre la température de surface et la température ressentie, valeur qui représente mieux la sensation de confort des usagers.
Dans ce contexte, le Centre de recherche d’Eurovia a lancé une étude en deux parties :
- La première vise à mettre au point une méthode alternative pour évaluer l’albédo d’une surface.
- La seconde, en collaboration avec le CEA Tech, consiste à développer un modèle pour estimer la température ressentie à partir de la température de surface.
La méthode alternative de mesure de l’albédo doit être plus facile à mettre en œuvre, plus rapide et plus robuste que celle existante. Le choix a été fait d’évaluer la possibilité d’utiliser la mesure de luminosité L*, obtenue par l’essai de colorimétrie, dont le coût, la disponibilité et la facilite de mesure en fait une alternative intéressante.
Le modèle final pourra donc estimer la température ressentie à partir d’une simple mesure de colorimétrie, ce qui aidera à quantifier facilement l’impact de différents revêtements routiers proposes par Eurovia susceptibles de répondre à la problématique des ICU et donnera au formulateur d’enrobés de nouvelles clés de formulation fondées sur des spécifications de couleur des enrobés.
• Agrévia® (photo a) est un procédé pour revêtement associant un béton bitumineux et un traitement mécanique spécifique de la surface de cet enrobé (grenaillage, hydrodécapage ou sablage) pour tirer profit des qualités esthétiques des granulats (choisis selon les critères habituels de caractéristiques intrinsèques en rapport avec leur utilisation routière, mais également et surtout en fonction de leur couleur).
• Viacolor® (photo b) est un enrobé coloré pour revêtements de surface qui fait appel pour sa formulation à des liants d’enrobage synthétiques clairs, mettant à profit la couleur naturelle des granulats employés dans l’enrobé (choisis selon les critères habituels de caractéristiques intrinsèques en rapport avec leur utilisation routière, mais également et surtout en fonction de leur couleur). Des colorations plus franches ou plus variées sont possibles par l'ajout de pigments adaptés : oxyde de titane pour les teintes claires, oxyde de chrome pour les verts, oxyde de fer pour les rouges et jaunes...
• Lumi+® (photo c) est un béton bitumineux de surface formulé à partir de granulats clairs et, dans certains cas, de granulats spéciaux utilisés en faible pourcentage (de 10 à 25 %), grâce auquel, après traitement de surface dans le cadre de l’utilisation d’un bitume routier conventionnel, on obtient un revêtement avec une luminance nettement plus élevée que celle des enrobés habituels. Couplé à un éclairage dimensionné tenant compte de ces propriétés photométriques, Lumi+ permet de proposer une chaussée esthétique qui préserve le confort et la sécurité des usagers de la route et des riverains tout en contribuant à la réduction des coûts liés à l’exploitation de l’éclairage public des communes.
• Salviacim® (photo d) est un revêtement industriel semi-rigide constitué d’un enrobé bitumineux ouvert, dont les vides sont comblés par un coulis composé de ciment, de charges minérales, de résine synthétique et d’eau.
• NOxer® (photo e) est un procédé composé d’un enrobé ouvert sur lequel est percolé un coulis comprenant du dioxyde de titane photocatalytique.
• Les enrobés décoratifs à froid à base de liant clair (photo f) constituent également une solution pour les aménageurs.
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MOYENS DE MESURE
Albédo
Appareil de mesure
Deux approches sont possibles pour mesurer l’albédo :
- une méthode de terrain selon la norme ASTM E 1918-062 ;
- une approche de laboratoire consistant à mesurer le facteur de réflexion pour toutes les longueurs d’ondes concernées par le rayonnement solaire.
Dans le cadre de cette étude, c’est l’approche laboratoire qui a été utilisée. Les essais ont été sous-traités à une entreprise spécialisée.
Les essais ont été réalisés avec un spectromètre UV-visible Lambda™ 750 de chez Perkin-Elmer (photo 1). La mesure du facteur de réflexion spectral est effectuée avec un spectromètre UV-visible équipe d’une sphère intégrante. Cette sphère intégrante est incluse dans le dispositif de mesure du spectromètre pour permettre des mesures de réflectance spectrale directionnelle hémisphérique. La bande spectrale utile est de 200 à 2 500 nm. Deux détecteurs sont utilisés : un photomultiplicateur et un détecteur polycristallin de sulfure de plomb.
Méthodologie de mesure
Les échantillons sont places sur le port « sample » de la sphère intégrante. Un échantillon de référence a été utilisé pour la calibration en réflectance du spectromètre. Les mesures sont effectuées de 2 500 nm à 200 nm par pas de 5 nm.
L’albédo de l’échantillon est ensuite calculé en pondérant les valeurs de réflectance à chaque longueur d’onde par le spectre de rayonnement solaire tel que défini dans la norme ASTM-G1733. Dans cette norme, le calcul de l’albédo nécessite l’utilisation des données spectrales dans la bande allant de 280 nm à 2 500 nm.
Colorimétrie
Plusieurs paramètres sont à l’origine de la couleur d’un enrobé : le type de liant (bitume ou liant de synthèse), la couleur des matériaux, les traitements de surface éventuels, le trafic… Lors de la formulation d’un enrobé « clair », le formulateur doit intégrer, en plus des caractéristiques mécaniques habituelles, une notion de colorimétrie du granulat.
Dans le domaine routier, il n’existe pas de référentiel normatif pour mesurer la couleur des granulats ou d’un revêtement routier. Cependant, des travaux réalisés en 1998 par le laboratoire d’essais des matériaux de la Ville de Paris en collaboration avec le laboratoire central de Viafrance (désormais Eurovia) ont conduit à mettre au point une méthodologie de mesure des couleurs des granulats4. Reprise et adaptée au nouveau matériel utilisé dans cette étude, cette méthodologie est celle sur laquelle s’appuient ces travaux.
Détermination de la colorimétrie
L’espace colorimétrique utilisé est le CIE Lab (L*a*b*)5, reconnu comme étant celui qui permet de se rapprocher le plus de la vision humaine6. Dans cet espace (figure 2), les caractéristiques trichromatiques sont définies par trois paramètres :
- L* désigne la luminosité (ou clarté) et correspond à la sensibilité de l’œil pour l’intensité lumineuse, sa valeur variant entre 0 et 100. La valeur 100, localisée en haut de l’axe, représente le blanc ou la réflexion totale ; la valeur 0, en bas, le noir ou l’absorption totale.
- a* et b* sont les coordonnées cartésiennes sur les axes de couleurs vert/rouge (avec a* < 0 correspondant à la composante verte et a* > 0 à la composante rouge) et jaune/bleu (avec b* < 0 correspondant à la composante bleue et b* > 0 à la composante jaune).
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Ce système s’appuie sur le fait qu’un stimulus de couleur est fourni par la combinaison adéquate d’un émetteur (source de lumière qui apporte l’énergie nécessaire pour l’observation d’une couleur), d’un objet (au contact duquel l’énergie se modifie par absorption et rejet) et d’un récepteur (qui reçoit l’information de la couleur et de l’apparence). Afin de pouvoir donner une mesure objective, reproductible et précise de la couleur, l’illuminant et l’observateur sont fixes. Parmi les illuminants et les observateurs normalises definis7, l’illuminant D65, qui correspondant à la lumière du jour (ciel + soleil), et l’observateur 2 degrés ont été choisis.
Appareil de mesure
L’appareil utilisé pour les essais réalisés est un chromamètre de Konica-Minolta, le CR-410. Les raisons principales du choix de ce colorimètre portable sont sa portabilité, sa facilité d’utilisation, sa zone de mesure de 50 mm (pour une influence moindre de la distance intergranulaire dans les mesures) et sa géométrie de mesure (qui permet d’apporter une illumination diffuse et ainsi d’amoindrir les différences de surface d’un même échantillon).
Méthodologie de mesure
La mesure des caractéristiques trichromatiques L*, a* et b* sur un revêtement routier ne requiert aucune préparation. Il convient cependant de s’assurer que la zone de mesure ne comporte pas de tache ou de différence d’état. Les valeurs de L*, a* et b* finales correspondent à la moyenne de vingt mesures.
CORRÉLATION LUMINOSITÉ L* ET ALBÉDO
Afin de couvrir une gamme de revêtements la plus large possible, différents procédés de la gamme Eurovia ayant des propriétés colorimétriques particulières ont été utilisés (voir encadré). Pour cette étude, quatorze revêtements ont été retenus :
- deux enrobés noirs standard ;
- deux Agrevia® ;
- un Viacolor® ;
- cinq Lumi+®, dont quatre hydrodécapés et un au liant de synthèse ;
- un Salviacim® ;
- un NOxer® ;
- deux enrobés décoratifs à froid à base de liant clair.
Les mesures de colorimétrie et d’albédo réalisées sur ces différents revêtements montrent la bonne corrélation entre la valeur de luminosité L* mesurée par l’essai de colorimétrie et l’albédo (figure 3).
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Les valeurs de L* varient de 25 à plus de 70 et celles d’albédo de 0,04 à près de 0,45, couvrant ainsi une gamme de revêtements de foncés à très clairs. En ce qui concerne la performance des procédés, on note que tous ceux qui ont été testés permettent un gain vis-à-vis de l’albédo. Les procédés Lumi+®, Agrevia® et Viacolor® se situent dans une gamme relativement similaire avec des valeurs d’albédo situées entre 0,1 et 0,25. Les enrobés décoratifs à froid à base de liant clair, le Salviacim® et le NOxer®, sont ceux qui présentent les performances les plus élevées en termes d’albédo, avec des valeurs situées entre 0,4 et 0,45.
Afin de vérifier la robustesse de cette corrélation, des mesures ont été réalisées sur d’autres types de revêtements : des produits plus clairs ont été formulés et certains produits au liant de synthèse ont subi un traitement de surface supplémentaire (hydrodécapage) pour accentuer le cote clair des matériaux et ainsi obtenir des revêtements présentant des valeurs d’albédo les plus élevées possibles. Ces résultats (figure 4) ne doivent donc pas être considérés comme représentatifs de la performance réelle des produits. Il apparait que les six nouveaux revêtements testés consolident la corrélation observée précédemment avec une gamme de revêtements couvrant un spectre plus large de valeurs.
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IMPACT DE LA LUMINOSITÉ L* SUR LA TEMPÉRATURE DE SURFACE
Afin de confronter les résultats obtenus par le modèle à des mesures expérimentales, le choix a été fait de réaliser une simulation numérique en prenant en compte des conditions réelles d’exposition observées à Bordeaux sur la journée du 9 juillet 2019 à 14 h.
Simulation numérique
L’impact de la clarté des différents revêtements étudiés sur la température de surface a été mesuré en substituant la valeur de l’albédo par celle du L* de l’enrobé dans le modèle proposé (équation 1). Le choix de la date et de l’heure retenues contribue à fixer les paramètres du modèle :
- I = 761 W/m²8 ;
- Ta = 25,7 °C8 ;
- Tciel = 11,2 °C, valeur déterminée par calculs intermédiaires à partir de l’humidité relative et de la température ambiante ;
- e = 0,89, les mesures d’émissivité ayant été réalisées sur tous les échantillons et aucun écart significatif n’ayant été observé ;
- hc = 12 W/(m².K), l’indice de convection étant habituellement pris égal à 5, 12 ou 30 W/(m².K), correspondant respectivement à une vitesse de vent basse, moyenne et rapide.
Dans ces conditions, une augmentation de dix points de L* de l’enrobé permet de gagner près de 4 °C en température de surface (figure 5). Par rapport aux enrobés traditionnels, les gains obtenus en température de surface sont les suivants :
- plus de 5,5 °C pour les procédés Lumi+® et Agrevia® ;
- près de 17 °C pour les procédés Salviacim® et NOxer®, et les enrobés décoratifs à froid à base de liant clair.
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Ces valeurs ont été confirmées par des relevés de température (figure 6).
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Mesures expérimentales
Un relevé de la température sur un enrobé « noir » en comparaison d’un enrobé clair (Lumi+®) a été réalisé par caméra thermique (émissivité prise à 0,9 pour les deux revêtements) sur des échantillons de 1 m² le 9 juillet 2019 à 14 h (photos 2 et 3).
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La différence de température de surface entre les deux revêtements est de presque 6 °C, ce qui montre que la surface de l’enrobé clair conduit significativement à un moindre échauffement du matériau.
Dans ces mêmes conditions, les valeurs calculées par le modèle à partir de la valeur de luminosité L* pour ces deux enrobés sont respectivement de 61,8 °C et 55,5 °C. Ces valeurs étant très proches des valeurs expérimentales mesurées de 61,4°C et 55,5 °C, le modèle peut être considéré comme efficace.
Il est possible d’utiliser le modèle pour simuler des évolutions de température de surface de différents revêtements sur une journée. Les températures de surface simulées et les écarts de température entre les différents procédés sont du même ordre de grandeur que ceux que l’on a pu mesurer expérimentalement (figure 7).
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IMPACT DE LA LUMINOSITÉ L* SUR LA TEMPÉRATURE RESSENTIE
Pour mesurer l’impact de la variation de température de surface de l’enrobé sur la température ressentie, l’étude s’est appuyée sur un modèle développe dans le cadre d’une collaboration avec le CEA Tech. Ce modèle simplifie permet d’évaluer une potentielle température ressentie au niveau d’un objet fictif sans masse pourvu de propriétés radiatives (équation 2) :
Le paramètre hair caractérise le transfert par convection. Ce paramètre est habituellement pris égal à 5, 12 ou 30 W/(m².K), correspondant à une vitesse de vent basse, moyenne et rapide. Les paramètres hciel et hsol sont moins « triviaux » par le fait qu’ils caractérisent le transfert par rayonnement grande longueur d’onde et renferment donc une non-linéarité importante dépendant elle-même de la température ressentie (équations 3 et 4) :
Dans ces équations, β est l’angle d’inclinaison de la surface considérée par rapport au sol (dans le cas présente, on peut considérer un objet vertical perpendiculaire au sol, donc faisant un angle de 90°), σ0 est la constante de Stefan-Boltzmann et εobjet est l’émissivité de l’objet fictif sans masse qui, pour une personne habillée, pourra être considérée comme proche de 0,9 s’agissant d’échange thermique radiatif de grandes longueurs d’ondes.
Dans ces conditions, une augmentation de dix points de L* de l’enrobé contribue à gagner de l’ordre de 0,8 °C en température ressentie (figure 8). Par rapport aux enrobés traditionnels, les gains obtenus en température ressentis sont les suivants :
- plus de 1 °C pour les procédés Lumi+® et Agrevia® ;
- près de 3,5°C pour les procédés Salviacim® et NOxer®, et les enrobés décoratifs à froid à base de liant clair.
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CONCLUSION
Cette étude a mis en place un modèle qui peut estimer, à partir d’une simple mesure de luminosité de l’enrobé via l’essai de colorimétrie, la température ressentie dans des conditions d’exposition choisies.
Ce modèle imbrique s’appuie sur :
- une corrélation entre la luminosité L* de l’enrobé et l’albédo ;
- un modèle qui relie l’albédo à la température de surface :
- et un modèle qui relie la température de surface à la température ressentie.
À partir de ce modèle, il est possible d’estimer les gains de température ressentie théoriques et de comparer ainsi différentes solutions techniques proposées.
Les résultats de cette étude montrent une amélioration significative sur la température ressentie entre une solution traditionnelle et des revêtements routiers plus clairs. Les procédés les plus efficaces à base de coulis percole, comme le Salviacim® et le NOxer®, ainsi que les enrobés décoratifs à froid à base de liant clair favorisent une diminution de la température de surface de l’ordre de 17 °C et de la température ressentie de l’ordre de 3,5 °C. Les procédés Agrevia®, Viacolor® et Lumi+® ont aussi un impact non négligeable sur les gains de température de surface (de l’ordre de 5,5 °C) et de température ressentie (de l’ordre de 1 °C). À l’échelle de la ville, ces solutions peuvent donc être choisies par les aménageurs urbains pour lutter contre le phénomène d’ICU.
Dans les zones les plus exposées, d’autres solutions présentant des puissances plus importantes peuvent aussi être proposées. Un procédé comme Drainovia R, enrobé drainant de couche de roulement, a un taux d’absorption des eaux pluviales plus élevé, ce qui favorise le refroidissement des sols et le rafraichissement des zones urbaines la nuit, l’eau ayant un important pouvoir de rafraichissement de l’air grâce à l’évaporation et l’évapotranspiration.
Il est aussi possible de tirer profit du phénomène d’ICU en exploitant la chaleur qu’il génère : le procédé Power Road® d’Eurovia peut capter cette énergie thermique afin de l’exploiter.
