COMPLEXE ANTI-FISSURE D EFFICACITÉ DÉMONTRÉE À BASE DE TREILLIS MÉTALLIQUES ET D ENROBÉS BITUMINEUX

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1 COMPLEXE ANTI-FISSURE D EFFICACITÉ DÉMONTRÉE À BASE DE TREILLIS MÉTALLIQUES ET D ENROBÉS BITUMINEUX Michel Ballié Colas France 4 rue Jean Mermoz Bât A Magny Les Hameaux Résumé De nombreux procédés anti-fissure existent. S ils retardent efficacement la remontée des fissures, notamment celles dues au retrait thermique des graves traitées au liant hydraulique, ils ne peuvent prétendre éliminer totalement la réapparition des fissures en surface de chaussée. Le comportement actuel des chaussées fissurées traitées par le complexe présenté dans cet article est particulièrement prometteur. Il montre une réelle efficacité anti-fissure en laboratoire et qui est confirmé dans diverses conditions d emploi, de climat et de trafic à la suite d observations réalisées sur chantiers. Ce complexe est constitué d une grille métallique spécifique, noyé dans un enrobé coulé à froid formulé à partir d une émulsion de bitume pur ou modifié par des polymères suivant les cas de chantier. En fonction de sa position dans la structure de chaussée, des enrobés bitumineux d épaisseur variable recouvrent ce complexe. Utilisé en France sur divers réseaux routiers et dans des applications particulières de chantier, il montre une grande efficacité anti-fissures dans ces différentes conditions, notamment de climats, associée à un potentiel de renforcement structurel de chaussées. Ce complexe constitue une réponse adaptée aux besoins croissants des maîtres d œuvre en matière de système anti-fissures performants et économiques. Par ailleurs et pour son efficacité anti-fissure, il est testé en France sur routes nationales depuis 5 ans dans le cadre de la Charte de l Innovation Routière avec la Direction des Routes. Cette présentation situe le problème de la fissuration, décrit le système étudié, montre les essais de laboratoire réalisés et le comportement favorable vis-à-vis de la fissuration observé sur des chaussées à forts trafics. 1. Exposé du problème La fissuration des chaussées a des origines multiples comme : - La fatigue des couches de chaussées, - Les tassements de remblai ou autre, - Le retrait hydrique des sols, - Le retrait thermique des assises traitées aux liants hydrauliques. Le complexe présenté ici vise principalement à retarder au maximum, voire à éviter, la remontée des fissures transversales de retrait thermique des matériaux traités aux liants hydrauliques à travers les enrobés bitumineux de couche de liaison ou de roulement.

2 Il participe également à l optimisation des structures de chaussée en reprenant les efforts de traction et en limitant les déformations en bas de couche des matériaux de renforcement des chaussées notamment, en répartissant davantage les charges du trafic. Situé entre la couche fissurée ou susceptible de fissurer et les enrobés bitumineux, ce complexe assure : - Le découplage partiel des deux couches pour les sollicitations lentes dues au retrait en diffusant les contraintes engendrées dans cette interface, - Des liaisons suffisantes entre ces deux couches vis-à-vis des sollicitations rapides induites par le trafic en évitant une fatigue prématurée de la couche de roulement due à un collage insuffisant entre couches. Ces deux fonctions essentielles sont exercées par l intermédiaire d une grille métallique de type Mesch Track (2) noyée dans des enrobés coulés à froid réalisés in situ. L étanchéité de la chaussée fissurée est restaurée et maintenue dans le temps par ces enrobés coulés à froid (ECF) de formulation adaptée. Ces ECF peuvent servir de couche de roulement provisoire pour les travaux sous circulation. La couche de roulement définitive en enrobés bitumineux d épaisseur variable de 5 à 7 cm est ensuite mise en œuvre. Après description du complexe, les principales performances mécaniques en laboratoire sont données. Les applications du complexe anti-fissure sur différents types de chaussée sont ensuite décrites et le bilan du comportement dans le temps de ces chantiers est établi. 2. Composition du complexe Il est constitué d'une grille d'armatures métalliques fixée localement au support par des cavaliers et noyée dans des enrobés coulés à froid. La figure 1 donne le schéma de principe du complexe. Fig. 1 Composition du complexe Schéma de principe 3) Couche d accrochage à l émulsion 2) Mesh Collage au support Track Grille métallique aplanie au compacteur et splitée sur le support 4) ECF (2+3+4=1 cm) ECF - Est une interface souple - Fixe la Grille - Permet aux chenilles du finisseur de ne pas arracher cette grille. 5) Couche de Roulement 1) Support

3 2.1 Caractéristiques de la grille métallique La grille métallique est constituée de fils d'acier à riche galvanisation. Il est renforcé à intervalle régulier de 235 mm par des torons transversaux à haute limite élastique. Les mailles hexagonales sont formées par des fils torsadés les uns autour des autres et sont à double torsion. Les torons transversaux sont solidement ancrés dans les mailles torsadées. Le maillage est de 80 x 118 mm. Les principales caractéristiques des deux catégories de grille métallique (MT) sont données dans le tableau 1. Tableau 1 Principales caractéristiques de la grille métallique Principales caractéristiques MT1 MT2 du fil 2,45 mm 2,20 mm Résistance à la traction en N - du fil - du fil plat torsadé Résistance à la traction du treillis - longitudinal - transversal Module d'élasticité min min kn/m 50 kn/m min min kn/m 32 kn/m 200 kn/mm² En règle générale, la grille MT1 est plutôt conçue pour le renforcement d enrobés sur chaussée béton et la prise en compte des problèmes structurels de chaussée et la grille MT2 pour les complexes anti-fissures. Dans la suite de cet article, c est de la grille MT2 qu il s agit. 2.2 Principales fonctionnalités de la grille dans le complexe Le module d'élasticité élevé de l'acier confère à l'ensemble de la structure un module d'élasticité plus élevé. La répartition des contraintes concentrées en tête de fissures et des charges dues au trafic est assurée par les torons transversaux et les contraintes de traction en bas de couche d'enrobés sont diffusées et absorbées par la grille par suite de l'encastrement des enrobés dans les mailles du treillis. De plus, les déformations des couches inférieures dues à l'insuffisance de portance du sol sont fortement limitées par la grille d où la limitation de l orniérage structurel de grand rayon. 2.3 Enrobés coulés à froid (ECF) L ECF est le plus souvent de granularité 0/6 mm. Le liant d enrobage est une émulsion de bitume pur ou modifié par des élastomères. A l aide de la machine classique de réalisation d enrobés coulés à froid, il est appliqué sur la grille métallique après répandage d une couche d accrochage à l émulsion de bitume dosée à environ 300 grammes /m² de liant résiduel. Son rôle est multiple. Il assure : - l étanchéité du support fissuré en évitant les pénétrations de l eau, - le découplage du complexe anti-fissure mais le bon collage au support et aux enrobés de la couche supérieure. 2.4 Enrobés de couche de roulement Suivant les cas de figure, la couche de roulement est constituée de bétons bitumineux semi grenus au bitume pur ou modifié par des élastomères de type SBS. L épaisseur est au minimum de 5 cm et la formulation est adaptée à l usage. Ils sont appliqués sur les ECF sans couche d accrochage. Dans le cas de renforcement de la structure, une couche

4 de base ou de liaison en enrobés bitumineux spécifiques (enrobés à module élevé, grave bitume, bétons bitumineux etc.) peut être mise en œuvre avant la couche de roulement dont l épaisseur peut varier dans ce cas de 2,5 à 7 cm. 3. Principales performances mécaniques du complexe Afin d évaluer les performances du complexe vis-à-vis de la remontée de fissures, un essai a été réalisé sur la machine de retrait flexion du LRPC d Autun (3) dont le principe est rappelé dans le schéma de la figure 2. Figure 2 : Schéma de principe de la machine de retrait flexion du LRPC d Autun Grille métallique Température 5 C ECF ( 17 kg/m2 ) BBSG 0/10 6 cm Bâti Vitesse d'ouverture 0.6 mm/h Amplitude 0.2 mm / Fréquence 1 Hz Cet essai consiste à suivre la remontée d une fissure au travers d un complexe constitué d un système destiner à retarder la réapparition des fissures en surface et d une couche de roulement. Chaque éprouvette est soumise dans des conditions de température constante (5 C) à deux sollicitations simultanément : - une traction longitudinale à 0,6 mm/h continue lente simulant le retrait thermique - une flexion verticale cyclique à la fréquence de 1 Hz simulant le trafic. La progression de la fissure est suivie par le biais d un réseau de fils conducteurs. Afin de quantifier l efficacité des différents systèmes, une grille de classement a été établie en considérant le rapport (appelé coefficient de temps réduit) du temps de remontée de la fissure sur le complexe testé sur un complexe témoin composé d une couche de sable enrobé de 2 cm d épaisseur surmontée d un enrobé du type béton bitumineux semi grenu conforme à la norme française NF P de 6 cm d épaisseur. La note SETRA LCPC N 57 de mars 1990 (Direction des Routes Françaises) (4) classe l efficacité des complexes «anti-fissure» suivant le temps réduit par rapport au témoin à l essai du LRPC d Autun, comme indiqué dans le tableau 2. Tableau 2 : classement de l efficacité des complexes anti-fissure Valeur du coefficient de temps réduit (r) Efficacité r < 0,7 Inefficace 0,7 < r < 0,9 Moyennement efficace r > 0,9 Très efficace

5 Le complexe testé est composée comme suit de bas en haut : - D une couche d accrochage dosée à 250 à 300 g/m² de bitume pur résiduel - Du treillis métallique MT2 dans les enrobés coulés à froid au dosage de 17 kg/m², - D un béton bitumineux 0/10 au bitume pur de 6 cm d épaisseur. Le complexe présente un temps réduit par rapport au témoin de 1,44. Il est donc classé comme très efficace suivant la grille ci-dessus. Il faut également tenir compte dans cette comparaison de l épaisseur totale qui est de 8 cm pour le témoin et de l ordre de 6 cm pour le complexe avec la grille. Des essais similaires conduits avec d autres complexes donnent des rapports plus faibles et par exemple, l utilisation d une grille en fibre de verre surmontée d un enrobé en 4 cm d épaisseur donne une valeur à cet essai et ce dans les mêmes conditions de 1,3. La valeur obtenue de 1,4 est très intéressante et a conduit à tester cette technique sur des chantiers importants par le trafic. Des essais complémentaires ont été réalisés comme celui pratiqué et développé par le Centre de Recherches Routières de Belgique (5) et qui concerne un essai de fissuration thermique. Cet essai ne sera pas décrit ici et nous renvoyons le lecteur à la bibliographie. Les conclusions émises par le CRR sur ce complexe testé à cet essai sont les suivantes : - le complexe présente un très bon comportement anti-fissure et n est pas fissuré à -10 C pendant 45 heures et - il possède une résistance élevée aux allongements importants à proximité des fissures qui assure la fonction de renforcement de la structure de chaussée. 4. Prise en compte du dimensionnement Ce même Centre de Recherches Routières de Belgique a mis au point un logiciel aux éléments finis (6) qui permet de prendre en compte l effet «renforcement» de la grille métallique et du complexe, notamment les gains en terme de durée de vie, d amélioration de la portance du support, de réduction des déformations et de la fissuration. Ce logiciel de dimensionnement modélise les épaisseurs nécessaires de renforcement pour les différents types de chaussées souples, semi-rigides et rigides en fonction des paramètres d état de celles-ci, du trafic supporté et de la durée de service escomptée. La réduction d épaisseur peut être estimée à environ 15 à 20 % suivant les cas de chantier mais cet aspect de renforcement n a pas été pris en compte dans la rédaction de cet article et ne sera donc pas plus développé. 5. Réalisation du complexe La mise en œuvre du complexe comporte les phases suivantes : - reprofilage si nécessaire, balayage et nettoyage du support, - déroulement de la grille métallique (avec un chevauchement longitudinal de 30 à 40 cm mais aucun chevauchement transversal des bandes afin de réaliser un bon uni sur la couche de roulement),

6 - application de la grille sur le support à l'aide d'un compacteur à pneus de 3 Tonnes /roue, fixation de la grille au support par des cavaliers et couche d'accrochage à l émulsion de bitume pur ou modifié, - mise en œuvre de l enrobé coulé à froid (ECF) à raison de 17 à 25 kg/m², - enfin réalisation de la couche de base ou de roulement, en fonction du cas de chantier rencontré. Un liant modifié peut être utilisé pour la couche de roulement en fonction du trafic et de la rugosité demandée. Les photographies de la figure 3 montre l application de la grille, de l Enrobé Coulé à Froid et de la couche de roulement. Figure 3 : Application de la grille, de l Enrobé Coulé à Froid et de la couche de roulement 6. Chantiers réalisés Ce complexe a fait l objet d une charte de l innovation routière avec la Direction Française des Routes et différents chantiers ont été réalisés depuis 1998, soit dans le cadre de la charte sur des chaussées du réseau national et supportant un très fort trafic poids lourd et ou située dans des zones montagneuses, soit en entretien de routes départementales. Les couches d assises de ces chaussées sont dans tous les cas des graves traitées aux liants hydrauliques fissurées principalement par retrait thermique. Ces chantiers réalisés dans le cadre de l innovation routière sont suivis depuis leurs réalisations par les Laboratoires Régionaux des Ponts et Chaussées et le Service Technique des Routes et Autoroutes. Ce suivi du comportement in situ a permis de tirer des conclusions intéressantes. RN7 dans le département du Rhône. Les travaux ont été réalisés en 1998 sur une chaussée constituée d un béton bitumineux en couche de roulement sur deux couches de 25 cm de graves ciment très fissurées en assises. Le climat dans cette région est continental, très froid l hiver et très chaud l été. C est une chaussée à deux fois deux voies et la mise en oeuvre du complexe s est effectuée par demi chaussée. Le complexe réalisé ici est constitué d une couche d accrochage, de la grille métallique MT2, d un ECF et de 5 cm de bétons bitumineux semi grenu modifiés par un liant élastomère. Dans le cadre de ces chartes, une planche témoin est en principe réalisée afin de pouvoir comparer dans les mêmes conditions les différentes techniques testées.

7 Le tableau 3 indique les pourcentages de remontées de fissures. Tableau 3. Pourcentage de remontée de fissures transversales Section Voie 1 an 2 ans 3 ans 4 ans Témoin lente 1 % 28 % 56 % 83 % rapide 0 % 22 % 41 % 51 % Avec le complexe lente 0 % 0 % 3 % 6 % Rapide 0 % 0 % 0 % 0 % Après 51 mois de trafic intense (1200 poids lourds par jour et par sens de circulation), comportant une voie lente et une voie rapide et uniquement entretenues par 6 cm de béton bitumineux, la section témoin présente sur la voie lente 83 % et sur la voie rapide 51 % de fissures remontées. Avec le complexe testé, on note 6 % en voie lente de fissures remontées et aucune remontée de fissure en voie rapide. Dans ce cas, ce résultat est particulièrement intéressant. Il montre l efficacité du complexe par rapport à un témoin utilisé classiquement comme solution vis-à-vis de la fissuration. Le complexe se révèle très efficace vis-à-vis de la remontée de fissures. RN 205 dans le département de la Haute Savoie Cette chaussée à 1000 m d altitude est une chaussée également à fort trafic (800 PL/j) et constituée de 35 à 40 cm de graves ciment très fissurées. Le climat est très rigoureux et il est noté 109 jours de gel par an sur la période de suivi entre la 1 ère et la seconde année. Sur cet itinéraire, il n y a pas eu de section témoin et il est donc difficile de porter un jugement totalement objectif. Réalisé avec la grille MT2 et des bétons bitumineux de 6 cm avec bitume modifié par élastomères, le complexe ne présente pas de fissures de retrait thermique après 26 mois de fort trafic. Ceci est à mettre en rapport avec la période de gel (109 jours) rencontrée pendant le suivi de ce chantier. RN 25 dans le département de la Somme. Cette chaussée concerne le contournement de la ville d Amiens. Cette chaussée était constituée de deux couches de graves ciment fissurées et d épaisseur totale de 45 cm recouvertes par 8 cm de bétons bitumineux semi grenu. Les travaux ont consisté en : - fraisage de 9 cm de cette chaussée existante - mise en place de la grille - réalisation des enrobés coulés à froid (ECF) - mise en œuvre d enrobés à module élevé (EME) sur 8 cm d épaisseur - réalisation de bétons bitumineux très minces en 2.5 cm d épaisseur. Après 36 mois de trafic élevé (1500 PL/J), la section avec le complexe ne présente aucune fissuration et le comportement de la chaussée est très satisfaisant (tableau 4). Tableau 4 Pourcentage de fissures transversales Pourcentages A 1 an A 2 ans A 3 ans Voie lente 0 % 0 % 0 % Voie rapide 0 % 0 % 0 % Là aussi, le suivi en cours permettra d apprécier le comportement de la solution testée qui actuellement donne toutes satisfactions.

8 RN 141 dans le département de la Charente Constituée en assise par deux couches de graves ciments très fissurés, cette chaussée a fait l objet des travaux suivants : - Section témoin : fraisage de l enrobé existant et mise en place de 8 cm d enrobés à module élevé (EME), surmontés de bétons bitumineux très minces (BBTM) en 2,5 cm d épaisseur. - Section avec le complexe grille MT2 avec ECF et 7 cm d enrobés à module élevé (EME), puis 2,5 cm de BBTM. Après 36 mois de trafic élevé (900 PL/J), la section avec le complexe ne présente aucune fissuration et le comportement de la chaussée est très satisfaisant. Les suivis toujours en cours permettront de porter un jugement objectif sur ces solutions. Pour ces deux derniers chantiers, il convient de tenir compte de l épaisseur d enrobés bitumineux qui renforce l effet anti-fissuration. 7. Conclusion Constitué d une grille métallique noyée dans des enrobés coulés à froid et d une ou deux couches d enrobés bitumineux à chaud d épaisseur variable suivant les cas de chantiers, le complexe décrit présente in situ un comportement anti-fissures très satisfaisant. La fissuration de retrait thermique des assises traitées aux liants hydrauliques est ainsi fortement diffusée et limitée dans les couches de roulement, notamment sous trafic poids lourd élevé et dans des régions d hiver rigoureux. L utilisation de liant modifié pour la formulation pour les enrobés coulés à froid et ceux des bétons bitumineux de couche de roulement apporte un complément intéressant d une part pour la tenue à la fissuration et d autre part pour le maintien et la durabilité de la rugosité du revêtement. Enfin, bien que ce ne soit pas l objet de cet article, l apport de ce complexe sur le plan structurel est intéressant et permet une diminution des épaisseurs d enrobés de renforcement. Références 1. Catalogue des dégradations de surface des chaussées. Méthode d essais N 52 LCPC. Version Spécifications Bekaert AS Novembre G. Colombier. Machine d essai des complexes anti remontées de fissures pour chaussées traitées aux liants hydrauliques. RGRA N 680. Juin Note d information SETRA N 57. Techniques pour limiter la remontée des fissures. Mars A. Vanelstraete, L. Francken. Interfaces anti fissures. Bulletin CCR 3/ A. Vanelstraete, D. Léonard, J. Veys. Structural design of roads with steel reinforcing nettings.