Chaussées souples à durée de vie prolongée. (structures de chaussées)

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1 Chaussées souples à durée de vie prolongée. (structures de chaussées) 2 e congrès annuel de Bitume Québec Beaupré, le 24 mars 2006 Denis St-Laurent Service des chaussées

2 Plan de la présentation Introduction Révision des stratégies de conception des chaussées (période de conception) Compréhension des chaussées Aspects mécaniques et cryogéniques Progrès, implications et perspectives Optimisation de la composition du revêtement Application et coûts Conclusions Recommandations

3 L'expérience acquise Certaines chaussées ont des durées de vies écourtées malgré une mise en œuvre impeccable: Dégradations conduisant à une intervention majeure de la chaussée: Fatigue; Orniérage structural; Gonflement et soulèvement au gel.

4 L'expérience acquise D'autres chaussées sont mieux réussies et vieillissement mieux Autoroute 30 St-Constant (1993) Autoroute 73 Stoneham (1994) Route 132 Longueuil (1995) Route 155 St-Célestin (1998) Autoroute 30 St-Constant Autoroute 73 Stoneham (161 Autoroute mm BB) 73 Stoneham Points communs: Respect des normes: Bon comportement au gel Bonne capacité portante de la fondation Bonne épaisseur de revêtement Bon suivi de la qualité durant les travaux Bonne mise en œuvre

5 Cette présentation traite essentiellement de Constructions neuves ou remises à neufs «remise à neuf» sous-entends que le revêtement fissuré est entièrement enlevé ou décohésionné et remplacé. Concepts déjà existants et éprouvés: Revêtements bitumineux de forte épaisseur sur bonnes fondations Distribution des contraintes en profondeur Planage et resurfaçage Utilisé et éprouvé aux USA et en Europe Relativement connu au Québec

6 Objectifs Longue durée de vie Minimiser les fissures Ralentir la vitesse de détérioration Augmenter de la durée de vie Les dégradations doivent se limiter à la couche de surface Pas de problèmes de gel Pas de problèmes structuraux Entretiens mineurs (scellement de fissures, etc) Planage et resurfaçage

7 Définition Chaussée à longue durée de vie viser 40 années ou plus sans bris «structural» majeur Fondations parfaitement stables Revêtement bitumineux minimum de 200 mm (en général) Couche de surface (35 à 75 mm) à renouveler aux 20 ans Chaussée «perpétuelle» chaussée à longue durée de vie conçue de façon à limiter les déformations mécaniques en dessous du seuils d endommagement des matériaux : BB élongation < 65 µε matériaux non-liés compression < 200 µε Revêtement bitumineux minimum de 320 mm (en général)

8 Conception des structures de chaussées 3 composantes essentielles Contexte québécois: 3: 2: 1: RETRAIT THERM. Fissures transversales Rev (bitume, épaisseur) STRUCTURAL Fissures de fatigue et ornières Rev + fondations (épaisseurs, type) GEL Soulèvements différentiels et lézardes Sous-fondation ou isolation (épaisseur, type)

9 Pratique actuelle (1993- ) Dimensionnement pour 15/20 ans souci d équilibrer la durée de vie structurale avec la durée de vie «climatique» Suivi de couches d usure ou de renforcement se répétant en cycles d env. 10 ans La chaussée est sévèrement détériorée au moment du ressurfaçage Déficience structurale (croissance du trafic lourd) Patron de fissuration qui remonte à travers les couches subséquentes Comportement au gel parfois marginal

10 Ressurfaçage Refissuration A-55 (1998): correction + c.u. ( mm) Fissuration avant ressurfaçage 12 3 hivers FAIT PROUVÉ POUR TOUS LES TYPES D ENROBÉS: ils refissurent presque immédiatement lorsqu ils sont posés sur des fissures Distance (m)

11 CHAUSSÉES NEUVES : 300 Épaisseur de revêtement C 225 Épaisseur (mm) zone nord zone sud A B mm = 3,60$/m² (60$/t ) (28 000$/km) = double la durée de vie structurale 50 mm = quadruple ECAS (en millions)

12 Fissuration superficielle (Top-down cracking) Remarqué aux États-Unis et en Europe pour les revêtements initiaux > 200 mm Implications importantes sur les modes d entretien et de réhabilitation Le phénomène existe aussi sur les revêtements épais du Québec Aut 30 (La Prairie), Aut 73 (Stoneham), Route 132 (Longueuil) Plusieurs km sans FT après 10 ans fissures superficielles dans les zones de ségrégation

13 Aut 73, Stoneham Âge: 10 ans BB: 175 mm Fissure : 50 mm (c. de surface)

14 Aut. 73, Stoneham Construction en 1994 (8,4 KM) Aucune fiss. transversale en 2004 Carottages 2004 Revêtement 160 mm 2004: Neuf fissures limitées à la couche de surface (35 à 45 mm). Et une de 90 mm, qui traverse la couche intermédiaire décollée de la couche de base.

15 Route 132, Longueuil Reconstruction en 1995 (4 km) Une seule fissure transv. en 2004 (ponceau) Carottages: Revêtement: 150 à 200 mm 1999: Trois fissures de 5 à 18 mm de prof. 2002: Deux fissures de 15 à 37 mm de prof.

16 Fissuration transversale Bénéfices des bitumes PG et des sur épaisseurs de BB Fissures transversales (nombre par km) Synthèse des suivis MTQ de 1992 à 2002 (tendances pour revêtements de 110 à 160 mm) Oxydées L espacement entre les FT croît de 3,2 m pour chaque 25 mm de BB ajouté. (U.Waterloo, ) Classe PG non adéquate Classe PG adéquate BB Âge du revêtement (années)

17 Situation actuelle (et opportunités) Les grades de performance (bitumes superpave) ont permis dans la pratique courante de doubler la durée de vie face au retrait thermique Le temps requis pour avoir une FT aux 10 m tends aussi à doubler si on ajoute 50 mm de BB La résistance au trafic lourd (fatigue-orniérage struct) double en terme de durée à chaque ajout de mm de BB Surcoût 5% pour doubler la durée de vie structurale Les techniques de retraitement en place permettent cette remise à jour après décohésionnement. Nous savons mieux comment restreindre les soulèvements au gel à un degré non-dommageable. Mesure de gélivité (SP) et simulation numérique des soulèvements 25 mm de polystyrène isole comme 600 mm de MG 112 au coût d un sous-profil d env. 175 mm Le rapport bénéfice coût d un bon dimensionnement au gel est largement avantageux. Un pavage épais qui ne fissure que dans la couche de surface peut être remis «à neuf» par planage+c.u. (sans refissurer)

18 Rupture de fatigue sous l effet d efforts de flexion répétés є t Fondation et sous-fondation Infrastructure Élongation (є t ) àla base de l enrobé bitumineux. Fissuration longitudinale (% des longueurs de bandes) 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% Bandes latérales et centrale Bandes en traces de roues Autoroutes Nationales Régionales Collectrices

19 Élongation du revêtement BB à 20 C Sans considération de l'affaiblissement dégel Essieu légal Base du revêtement Base de la couche intermédiaire Élongation dans l'enrobé (µm/m) Essieu légal (10 tonnes) ECAS (8 tonnes) En dessous d un certain seuil ( 65µε), il n y a plus de phénomène de fatigue. Zone sans fatigue Épaisseur du revêtement (mm)

20 Revêtements fissurant par fatigue (AASHTO 2004, ensemble des données nord-américaines) % fissuré en fatigue BB (mm)

21 Simulations du soulèvement au gel Route 161 Sts-Martyrs-Canadiens, hiver 1996 Mesure de la gélivité en laboratoire Échelle de gélivité: Gélivité SP indice de soulèvement mm²/ C heure Δh / h gel Négligeable < 0,5 < 0,01 Faible 0,5 à 1,5 0,01 à 0,04 Moyenne 1,5 à 3 0,04 à 0,08 Élevée 3 à 8 0,08 à 0,20 Très élevée > 8 > 0,2 89 mm Logiciel de prévision de la profondeur de gel et du soulèvement: (CHAUSSÉE 2)

22 Sensibilité de la conception au gel Normes actuelles au MTQ Épaisseur de la chaussée (mm) Profondeurs de transition «P» protection partielle de la norme actuelle Indice de gel ( C jours)

23 Épaisseur de la chaussée (mm) Soulèvement (mm): / Sensibilité de la conception au gel Simulation des soulèvements Sol très gélif (SP = 11) 800 Profondeurs de transition «P» Sol gélif (SP = 5,5) protection partielle de la norme actuelle Indice de gel ( C jours)

24 Soulèvements anticipés (IG n =1350 C jrs) mm de MG mm de MG 112 Seuil de soulèvement < 50 mm Zones avec vieillissement accéléré (comportement marginal) Soulèvement (mm) 20 0 GC, GM [2,0] GP, GW [0,5] SM ou SC moins de 30 % de fins [2,0] SP [0,5] SW [0,5] Croûte argileuse > 1 m [2,0] SM fin ou SC fin (Sr < 85%) [4,0] CH (IL< 0,9) [0,5] SM fin ou SC fin (Saturé) [4,0] MH (IL< 0,9) [2,0] CL avec Ip > 12 (IL< 0,9) [3,0] CL avec Ip <= 12 (IL< 0,9) [5,0] ML, ML-CL (IL< 0,9) [8,0] I L < 0,9

25 Sous-profils (contrôle du soulèvement ) soulèvement < mm Isolant 25 mm Isolant 38 mm Sans isolant Norme actuelle (Fondation de 400 mm) 400 mm Sous-profil 700 mm Isolant 25 mm Isolant 38 mm Sous-fondation requise (mm) 0 GC, GM [2,0] GP, GW [0,5] SM ou SC moins de 30 % de fins [2,0] SP [0,5] SW [0,5] Croûte argileuse > 1 m [2,0] I L < 0,9 SM fin ou SC fin (Sr < 85%) [4,0] CH (IL< 0,9) [0,5] SM fin ou SC fin (Saturé) [4,0] MH (IL< 0,9) [2,0] CL avec Ip > 12 (IL< 0,9) [3,0] CL avec Ip <= 12 (IL< 0,9) [5,0] ML, ML-CL (IL< 0,9) [8,0] [Gélivité] À préciser avec sondages et sédimentométries

26 Optimisation des sous-profils Notion d infrastructure améliorée Profondeur variable, prescrite par le concepteur d après la classe de sol située dans la zone d influence du gel Tolérer jusqu à 15-20% de fines (<80µm) sous la sous-fondation «normale» Conserver les plans de drainage «normaux»

27 Optimisation du revêtement 30 à 60 mm SMA-10, EG-10, ESG-10 }100 mm Zone à de compression 150 mm élevée GB-20 Enrobé à module élevé et résistant à l'orniérage. Épaisseur selon le besoin Effort maximum en tension Enrobé ESG-5 résistant à la fatigue 25 à 35% de l ép tot Fondation granulaire ou stabilisée

28 Ajustements de l épaisseur de revêtement (Sensibilité aux caractéristiques de l enrobé) Epaisseur (mm) mm MPa BB Variable 4000/5000/4000 MG MG Sol A B Vb (%) = C ECAS (en millions) 1-Calculs avec la formule de fatigue de l Asphalt Institute (courbes bleu) 2-Calcul avec les essais sur ESG-5 (zone rouge)

29 Exemple de revêtement : Autoroute 185 (N.-D.-du-Portage à frontière N.-Brunswick (Dégelis) 20 ans 23,7 M ECAS 215 mm 40 ans 57,7 M ECAS 250 mm 240 mm EGA mm EGA mm EGA mm EB-20 EB-20 GB-20 ESG-5 60 mm

30 Exemples de revêtement (R175, Parc des Laurentides) Conception initiale pour 15 ans 175 mm de BB Prolongement de durée de vie 190 mm (30 ans) 140 / 200 (40 ans) (même coût de BB que 175 mm) Accotement gauche Voie de Voie de dépassement circulation (6) ESG-10, 45 mm (5) MG20 (4) GB-20, 95 mm Accotement droit (3) MG 20 (2) ESG-5, 60 mm (1) MG 20, 250 mm

31 Surcoût de la durée prolongée Doubler la durée de vie structurale (40 ans): BB : $/km Incluant base anti-fatigue et 25 mm d ajout de BB Sous-Profil : < $/km Équivaut à ajouter 450 mm sur 50% de la longueur $/km (2 voies) Pour moins de 5-10% des coûts, on double la durée de vie!!

32 Comparaison à long terme Cycles d interventions Conception 20 ans 0-Construction 20 c.u. 30 pl. + c.u. 40 pl. + c.u Réfection majeure Conception 40 ans 0-Construction 20 - c.u. 40 pl. + c.u. (60 pl. + c.u.) (répétition indéfinie?) Fissuration plusieurs types Re-fissuration récurrente Fissures transv. seulement

33 Conclusions (1) Les progrès des 10 dernières années pour mieux résister au climat justifient de viser une résistance accrue face au trafic (conception équilibrée) BB ajouté sur revêtement fissuré = solution court terme 0-70 mm re-fissure dès les premières années 0-70 mm ne dure qu env. 10 ans (même avec bonnes fondations) Épaississement de la couche malade qui aggrave la problématique de re-fissuration à chaque cycle de 10 ans (nf/f ) BB ajouté sur revêtement neuf = gain exponentiel 25 mm double la durée de vie : ans (trafic constant) 50 mm quadruple la durée de vie : 20 (80) ans ÉLIMINATION des fissures de fatigue nécessitant des interventions majeures entretient de surface requis aux 20 ans RÉDUCTION des fissures transversales (quasi-élimination pour les plus fortes épaisseurs ou avec l entretien de la surface) BÉNÉFICE réel à condition d avoir de bonnes fondations Les revêtements de 50 à 150 mm sont les plus sujets à casser par fatigue idéalement sortir de cette plage

34 Conclusions (2) Les revêtements épais semblent avoir tendance à ne fissurer que dans la couche de surface Un planage et ressurfaçage peut dans ce cas équivaloir à une remise à neuf Le contrôle des soulèvements au gel peut être amélioré à coût raisonnable. 25 mm d isolant remplace l effet thermique d environs 600 mm de MG 112 pour le coût d un sous profil d environs 175 mm ( $/km)

35 Recommandations Constructions neuves, remises à neuf, décohésionnements Valider le dimensionnement au gel en terme de soulèvements Prolonger la période de conception (si gel résolu) Optimiser: base ESG 5 anti-fatigue, stabilisation des fondations recyclées, etc. Continuer de choisir judicieusement la composition des enrobés (bitumes PG, granulats, formulation) Réalisation des travaux dans les meilleures conditions possibles (bonne saison, assurance qualité serrée) Savourer la durée de vie prolongée Faire durer le plaisir par un entretien périodique de la surface

36 Perspectives futures Constructions neuves, remises à neuf, décohésionnements Poursuivre les investigations dans cette direction Veille technique Variantes de conception et de stratégies (optimiser) Continuer de documenter le phénomène de fissuration superficielle (argument supplémentaire) Encourager les projets à durée de vie prolongée Expertise-conseils Formation Outils de dimensionnement (Logiciel CHAUSSÉE 2) Normes