Influence de la texture des revêtements de chaussées sur la génération et l’émission des particules d’usure pneu-chaussée (TRWP)

Contexte et enjeux
La pollution atmosphérique constitue un enjeu sanitaire et environnemental majeur, en particulier en milieu urbain où l'exposition chronique aux particules fines est élevée et associée à de nombreuses maladies cardiovasculaires et respiratoires (OMS, 2022 ; AEE, 2020). En 2024, près de 240 000 morts en Europe sont liés aux particules fines selon Atmo France. Parmi les sources de pollution, les particules issues de l’usure pneu-chaussée, désignées par l’acronyme TRWP (Tire and Road Wear Particles), sont considérées comme un contributeur important. Les TRWP résultent d'un processus d'usure impliquant la gomme du pneu et les matériaux constituants de la chaussée (granulats, liant, etc.).
Les travaux sur les TRWP portent principalement sur leur caractérisation (taille, morphologie et composition physicochimique), leur mode de dispersion dans le milieu naturel (air, sol, eau) et leur transformation dans le temps. L’étude des mécanismes de génération – ou de formation – des TRWP, en lien avec les phénomènes d’usure pneu-chaussée, demeure une approche encore peu explorée (Truong et al., 2025 ; Muresan et al., 2025), alors qu’il est établi que leurs caractéristiques, ainsi que leur quantité (masse, concentration), dépendent de celles du pneu et du revêtement de chaussée, ainsi que des conditions de conduite (manoeuvres, itinéraires, etc.) (Gustafsson et al., 2008 ; Kreider et al., 2010 ; Baensch-Baltruschat et al., 2020 ; Beji et al., 2021 ; Haugen et al., 2024 ; Zhong et al., 2024).
Parmi les facteurs influençant la génération des TRWP, la texture des revêtements de chaussées constitue un levier important pour les acteurs impliqués dans la construction et l’entretien des routes. La texture influe sur diverses propriétés d’usage liées à l’interaction pneu-chaussée, telles que l’adhérence, la résistance au roulement ou le bruit de roulement. Comprendre le rôle de la texture dans le processus d’usure pneu-chaussée et dans la formation des TRWP contribuera à faire progresser l’état de l’art et permettra d’envisager des solutions visant à optimiser – en intégrant des critères liés à la pollution particulaire à ceux relatifs à la sécurité et à la consommation – la gestion des réseaux routiers et le développement des produits (matériaux routiers, pneus, etc.).

Objectifs du projet de thèse
Tout d’abord, la thèse de Stepan Bobrovnikov (2022-2025), réalisée au sein du laboratoire EASE à l’Université Gustave Eiffel, dans le cadre du programme européen MSCA CLEAR-DOC, en collaboration avec TH Köln, a permis d’initier des travaux sur le lien entre l’usure pneu-chaussée et les TRWP. Le principal résultat de cette thèse réside dans le développement d’une méthode d’essais en laboratoire permettant de collecter et de caractériser les particules d’usure issues du frottement pneu-chaussée, simulé à l’aide d’un dispositif pion-disque.
En parallèle, la thèse de Xuan-Trinh Truong (2020-2024), réalisée dans le cadre d’une convention CIFRE avec l’entreprise Michelin a permis de développer un système de collecte embarquée des TRWP et d’identifier quelques liens entre les caractéristiques morphologiques et texturales des particules émises et le comportement dynamique du véhicule (vitesse de sollicitation, efforts dans l’aire de contact pneu-chaussée).

Le présent projet de thèse élargit ce champ d'étude et vise à apporter de nouvelles connaissances sur les aspects suivants :

1. Influence de la nature des granulats et du liant bitumineux sur les caractéristiques des TRWP.

2. Relation entre la texture des revêtements bitumineux et la génération et l’émission des TRWP.
3. Identification des mécanismes d’usure et de leur impact sur les caractéristiques des TRWP émises en conditions réelles.

Méthodologie et programme de travail

Le programme de travail comporte trois parties :

Partie 1 : Études expérimentales en laboratoire – Des essais d’usure seront réalisés en laboratoire dans différentes conditions de sollicitation sur un ensemble d’échantillons d’enrobés bitumineux. Ils seront accompagnés, d’une part, de mesures du coefficient de frottement pneu-chaussée et de la topographie de surface des enrobés et, d’autre part, de la collecte des TRWP. Les mesures de topographie de surface seront analysées afin d’en extraire des paramètres de rugosité à différentes échelles. Les TRWP seront caractérisées en termes de composition chimique, de morphologie et de microstructure, à l’aide d’un microscope électronique à balayage MEB.

Partie 2 : Analyses statistiques et modélisation – Des approches statistiques permettront d’établir des relations entre les matériaux constituants des enrobés (granulats, liant) et les caractéristiques des TRWP. Une modélisation, basée sur la répartition des flux de TRWP à l’interface pneu-chaussée, permettra de déterminer, au sein de la masse de TRWP générée par l’usure, la fraction émise dans l’atmosphère. Ces flux – génération et émission – seront mis en relation avec les paramètres de rugosité des surfaces d’enrobés.

Partie 3 : Expérimentations en conditions réelles – Des essais seront réalisés à l’aide d’un véhicule instrumenté sur la piste de Nantes et sur des itinéraires routiers. Le véhicule sera équipé en particulier d’un système de collecte de TRWP. La connaissance des caractéristiques de surface des revêtements testés permettra de les relier à celles des TRWP. Cette étape constituera une phase de validation des relations établies en laboratoire et permettra d’en déterminer le périmètre de validité.

Le laboratoire EASE réalise des travaux autour de l’évaluation des impacts et des performances des infrastructures de transport. Trois sujets de recherche sont proposés :

Sujet 1 : analyse de l’impact des polluants/contaminants sur les usagers et les écosystèmes ;

Sujet 2 : éco-exploitation des infrastructures linéaires de transport ;

Sujet 3 : insertion des infrastructures de transport dans les territoires.

Compétences en ingénierie : diplôme de master ou équivalent en génie mécanique, génie civil ou génie environnemental.

Expérience expérimentale en tribologie et en caractérisation des particules/matériaux (par exemple : profilométrie, MEB/SEM, ICP, GC-MS).

Sensibilité aux enjeux environnementaux et sanitaires liés aux émissions non issues de l’échappement.

Connaissances en modélisation et simulation numérique (méthodes des éléments finis, modélisation multi-échelle ou équivalent).

Capacité à travailler en équipe dans un environnement pluridisciplinaire associant mécanique, science des matériaux et études environnementales.