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Transcription

1 ã~á=ommt Rapport d'expérimentation píêìåíìêéë=éñé êáãéåí~äéë=_^`=ëìê=öê~îé=äáíìãé _áä~å=çd í~éé= pçãã~áêé= Introduction... 3 Le contexte des chantiers expérimentaux... 5 Le nouveau concept BBTM/ES/BAC/GB Fonctionnement mécanique de la structure BAC/GB.. 5 L'expérimentation... 5 Le dimensionnement des structures BAC/GB... 7 Principes de fonctionnement de la structure BAC/GB. 7 Méthode de calcul... 8 Coefficient de discontinuité kd... 8 Modélisation des paramètres... 9 Structures de la circulaire DR du 3 octobre Les sections expérimentales Les chantiers expérimentaux : RN 141 et RN Caractéristiques des sites expérimentaux Caractéristiques des matériaux La réalisation et le suivi des travaux Comportement de la RN Comportement de la RN Conclusion Bibliographie Annexe Un nouveau concept de chaussée en béton a été imaginé et testé en France à partir de Il s'agit d'une structure de béton armé continu (BAC) collée sur une fondation en grave bitume (GB). Cette dernière, par sa rigidité, apporte à la structure un comportement qui permet de diminuer sensiblement l'épaisseur de la couche de BAC. L'imperméabilisation de la chaussée par un enduit et un enrobé très mince permet d'obtenir à la fois la mise hors eau de la chaussée ainsi que de bonnes caractéristiques d'usage du revêtement. Deux chantiers expérimentaux realizes, en 1998 et 2001 sur des routes à fort trafic, ont été mis en oeuvre pour évaluer ce nouveau concept de chaussée rigide et vérifier les hypothèses prises pour son dimensionnement théorique. Le présent rapport fait un premier bilan d'étape du comportement de ces chaussées après un passage significatif de véhicules lourds.

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3 Rapport d'expérimentation píêìåíìêéë=éñé êáãéåí~äéë=_^`=ëìê=öê~îé=äáíìãé _áä~å=çd í~éé= Collection les rapports Document édité par le Sétra dans la collection «les rapports». Cette collection regroupe les rapports d'études, de recherche, d'expérimentation, d'expériences.

4 Structures expérimentales BAC sur grave bitume Bilan d'étape Rapport d'expérimentation Collection «Les rapports» Sétra 2 mai 2007

5 Introduction Après avoir connu un développement important en France dans les années 1980 lors de la construction du programme autoroutier, les chaussées en béton ont connu un désintérêt certain de la part des maîtres d'ouvrage et des maîtres d'œuvre pour devenir aujourd'hui une technique très marginale sur le réseau routier national. Les raisons de ce désintérêt sont multiples mais on peut en recenser les principales : le coût initial à l'investissement des chaussées béton nettement plus élevé que celui des structures hydrocarbonées, de même performance structurelle ; la maîtrise de la technique française dans le domaine des matériaux hydrocarbonés, les rendant aussi performants sur les réseaux à fort trafic que les techniques béton. Or il est apparu intéressant de voir si l'on pouvait allier les qualités des deux techniques, en repensant le concept même de ces structures. L'application de cette structure mixte correspond à un domaine d'emploi précis ; il permet en outre de maintenir dans notre pays une compétitivité entre les différentes techniques "noires et blanches" et un savoir-faire dans le domaine de la construction des chaussées en béton. Collection «Les rapports» Sétra 3 mai 2007

6 Collection «Les rapports» Sétra 4 mai 2007

7 Le contexte des chantiers expérimentaux Les chantiers routiers en béton en France ont été essentiellement réalisés sur le réseau national qu'il soit concédé ou non et notamment sur les autoroutes. Trois techniques ont été principalement utilisées au cours de ces quarante-cinq dernières années : les dalles californiennes, les dalles épaisses, le béton armé continu (BAC) qui s'est développé en France au début des années 1980 en chaussées neuves et en chaussées renforcées. Cette dernière technique, bien qu'étant d'un coût d'investissement initial plus élevé que les précédentes, présente l'avantage d'offrir à l'usager un meilleur niveau de service, et au gestionnaire de la route de s'affranchir de l'entretien périodique des joints de chaussées et des phénomènes de battements de dalle, préjudiciables à la pérennité de ces chaussées. Le nouveau concept BBTM/ES/BAC/GB3... dit de structure "sandwich" ou "composite". Les différents types de structure en béton, notamment ceux contenus dans le Catalogue des structures types de chaussées neuves pour le réseau routier national de 1998 [1], n'intégraient pas dans leur dimensionnement l'apport structurel d'un enrobé bitumineux, qui n'était utilisé qu'en couche de surface ou en sous-couche non érodable pour les BAC. Dans ces structures, l'interface entre le béton et l'enrobé était considérée, par hypothèse, non collée, ce qui s'avérait très pénalisant en terme de dimensionnement notamment pour les bétons armés continus. A la lumière des premiers résultats de l'expérience FABAC ( ) et d'un certain nombre d'essais d'ovalisation réalisés sur des autoroutes en service, notamment en Belgique, il est apparu réaliste d'admettre l'hypothèse d'un collage de l'interface BAC/enrobé. Fonctionnement mécanique de la structure BAC/GB Un nouveau concept de chaussée béton sur enrobé a ainsi été défini. L'introduction de la grave bitume de classe 3 (GB3, norme NF P ), du fait de sa rigidité élevée, joue dans la structure le rôle d'une couche dimensionnante. Le collage entre la couche de béton et la couche de fondation en GB3 conduit à reporter sur celle-ci les efforts de traction par flexion induits par les charges routières, alors que le béton contribue seul à la reprise de ces efforts dans l'hypothèse d'une interface non collée. Dans cette structure innovante, la couche de fondation en grave bitume joue le double rôle de couche non érodable et de couche résistante. L'expérimentation Il ne restait plus qu'à expérimenter en vraie grandeur sur des sections de route à fort trafic ces hypothèses de travail. Collection «Les rapports» Sétra 5 mai 2007

8 Le premier chantier expérimental s'est fait sur la déviation de la RN 141 des Rassats-Favrauds près d'angoulême en Charente au cours de l'été Le deuxième a été réalisé quant à lui en septembre 2001 sur la déviation de la RN 4 à Bebing-Imling en Moselle, dans des conditions climatiques beaucoup plus sévères notamment en hiver. Les objectifs visés dans ces deux expérimentations sont les suivants : définir un coefficient de calage pour le dimensionnement de cette structure ; évaluer la durabilité du collage de l'interface BAC/GB3 pendant toute la durée de service ; tenter de comprendre et d'expliquer le mécanisme de rupture de cette structure de chaussée. Collection «Les rapports» Sétra 6 mai 2007

9 Le dimensionnement des structures BAC/GB Principes de fonctionnement de la structure BAC/GB La structure BAC sur grave bitume est composée d une couche de fondation en GB3, recouverte d un béton armé continu, puis d une couche de surface en béton bitumineux très mince mise en œuvre sur un enduit superficiel. Cette combinaison est proposée pour les raisons suivantes : la GB3 apporte la déformabilité et la résistance à la fatigue des matériaux bitumineux, tout en garantissant une bonne régularité du support pour la couche de BAC ; le BAC apporte la rigidité et la pérennité (vis-à-vis de l'agressivité des charges roulantes et du climat) des couches en béton, et la nature du béton armé continu affranchit des contraintes d exploitation liées aux joints et fissures apparaissant sur ces structures rigides ; le béton bitumineux très mince (BBTM, norme XP P ), associé à la mise en œuvre de l'enduit superficiel (ES), apporte les conforts visuel et acoustique des couches de roulement bitumineuses caractéristiques d'adhérence, tout en assurant une étanchéité de la surface, propice à la durabilité des couches sous-jacentes. Cette structure n'est envisagée qu'avec une plate-forme d'excellente qualité, c'est-à-dire au moins de classe 3 (PF3). Les conditions de collage entre le BAC et la GB3 conditionnent le mode de fonctionnement et la démarche de calcul de la structure : si la couche de BAC est collée sur la GB3, le caractère monolithique de la structure conduit à concentrer à la base de la GB3 les sollicitations de traction par flexion créées par le trafic. La couche de BAC est alors très peu sollicitée en traction à sa base, ce qui exclut quasiment son endommagement par fatigue sur la durée de calcul habituelle des chaussées ; à contrario, si la couche de BAC est décollée de la couche de GB3, les deux couches sont sollicitées à leur base en traction par flexion. La durée de vie de la structure est alors conditionnée par la couche qui rompt la première, celle de BAC étant la plus exposée. La qualité et la durabilité du collage des couches BBTM/BAC/GB/Couche de forme conditionnent le bon fonctionnement et la pérennité de la structure. L hypothèse de collage du BAC/GB et de sa pérennité constitue une des inconnues majeures du problème. Plusieurs conditions de collage ont ainsi été testées dans l'approche calculatoire : 1. interface BAC/GB3 collée ; 2. interface BAC/GB3 glissante ; 3. interface BAC/GB3 collée pendant n années, puis glissante (avec n=10, 15 ou 20 ans). Collection «Les rapports» Sétra 7 mai 2007

10 Méthode de calcul Les calculs sont réalisés conformément à la démarche française de dimensionnement rationnel des chaussées, décrite dans le guide technique de conception et dimensionnement des structures de chaussée [2]. Cette démarche consiste à rechercher l épaisseur minimale de la (ou des) couche(s) dimensionnante(s) de la structure pour que les sollicitations induites par le trafic lourd restent inférieures ou égales aux sollicitations admissibles par les matériaux. Les sollicitations induites par le trafic dans la structure sont calculées à l aide du logiciel ALIZE du LCPC, reposant sur le modèle théorique de Burmister. Dans ce modèle, la structure est assimilée à un massif multicouche élastique linéaire, homogène et isotrope, les couches étant infinies en plan, les interfaces entre couches étant collées ou glissantes, les effets des pneumatiques sur la chaussée étant assimilés à des charges verticales statiques, circulaires et uniformément chargées. Les sollicitations admissibles par les matériaux sont déterminées en fonction du comportement en fatigue de ceux-ci, du trafic cumulé devant circuler sur la chaussée pendant la durée de calcul, de la portance du support et du risque pris par le maître d ouvrage. L adoption d une hypothèse de fonctionnement collé pendant "n" années puis d un fonctionnement décollé sur le reste de la durée de service suppose que l on modélise l un et l autre modes de fonctionnement, puis que l on combine leurs effets. Cette addition se fait dans la méthode de dimensionnement française selon la loi de Miner, qui suppose que l endommagement subi par la structure est linéaire pendant chaque phase de fonctionnement, et que les endommagements cumulés lors de l une et l autre phases s additionnent. Les discontinuités ne pouvant être prises en compte dans le modèle de Burmister (couches infinies en plan), les majorations de contraintes relevées au passage des charges près des joints (ou des fissures) sont prises en compte dans le calcul des sollicitations admissibles, à l aide d un coefficient dit de discontinuité, noté "kd". Coefficient de discontinuité kd Le coefficient de discontinuité "kd" pris en compte pour le calcul des valeurs admissibles dans le cas de structures rigides permet de corriger la contrainte de traction dans le béton calculée par le modèle de Burmister, en prenant en compte de façon plus ou moins forfaitaire deux effets non reproduits par ce modèle théorique : Le premier effet est lié à la présence des bords (bords longitudinaux, bords transversaux, fissures transversales pour le BAC), non représentés dans le modèle théorique, et dont l effet est de majorer les sollicitations calculées par ce modèle (voir figure 1) ; Le second effet est lié à la présence de gradients thermiques verticaux dans le béton (non uniformité de la température sur l épaisseur de la dalle). Ceux-ci peuvent conduire à des défauts d appui de la couche rigide sur son support, entraînant eux aussi une majoration des sollicitations calculées par le modèle de Burmister. Charge au centre Charge au bord Contrainte au centre Contrainte au bord, majorée Figure 1 : Contrainte à la base d'une dalle rigide sous charge isolée Collection «Les rapports» Sétra 8 mai 2007

11 La contrainte au bord est d autant plus élevée que l engrènement au droit de la fissure est faible, ce qui tend à concentrer l effet de la charge placée près du bord sur la seule dalle support, au lieu de la répartir sur la dalle adjacente. La contrainte au centre restant constante sous une charge donnée pour une structure donnée (toutes choses égales par ailleurs), le rapport entre contrainte au bord et contrainte au centre varie avec les conditions d engrènement au droit du joint : usure des bords, ouverture du joint, présence de goujons pour améliorer le transfert de charges. Les valeurs du coefficient kd pour les structures rigides usuelles ont été déterminées à l aide de modélisations tridimensionnelles aux éléments finis, dans lesquelles sont représentés la géométrie des dalles, le mode d engrènement des joints, et enfin l existence de champs de températures internes variables sur la durée de service de la chaussées. Pour les structures du catalogue des structures types de chaussées neuves de 1998 [1], la valeur "kd" adoptée dans la méthode française de dimensionnement des chaussées est de 1/1,70 pour une structure rigide à dalles californiennes (sans dispositif d engrènement au droit des joints) et 1/1,47 pour une chaussée béton goujonnée. Cette même valeur de 1/1,47 est également adoptée pour les structures en BAC. Les valeurs des coefficients kd ci-dessus sont des valeurs moyennes établies pour des dalles dont l épaisseur varie entre 19 et 23 cm, sous l hypothèse d une interface non collée entre le béton et sa fondation. Ces conditions ne s appliquent pas à la structure innovante BAC/GB3, en raison d une part de ses épaisseurs moindres (15 à 18 cm), et d'autre part de l hypothèse de collage entre le béton et sa fondation. Dans le cadre de l'étude expérimentale de la RN 4, les conditions de collage et donc d engrènement au droit des fissures étant supposées meilleures que dans le cas décollé, le coefficient "kd" a été ré-évalué, pour une valeur retenue à 1/1,07 par approche empirique. L'incidence de ce changement est décrite dans le tableau 1. Tableau 1 : Epaisseur calculée de BAC en fonction de l'hypothèse de durée du collage et du coefficient "kd" pour un couple TC6/PF3 1/kd Année théorique du décollement BAC/GB 0 an 10 ans 15 ans 20 ans 30 ans 1,47 23 cm 23 cm 23 cm 22 cm 14 cm 1,07 17 cm 17 cm 17 cm 16 cm 12 cm Modélisation des paramètres La modélisation de la structure dans le modèle de Burmister suppose d'introduire dans les calculs l épaisseur, le module d élasticité et le coefficient de Poisson des différentes couches. L épaisseur de GB3 a été prise égale à 9 cm, quels que soient la plate-forme et le trafic. Cette épaisseur a été déterminée pour répondre aux exigences de la norme NF P pour des graves bitumes 0/14. Son module de calcul est de MPa, valeur correspondant à une température équivalente de 15 C et une fréquence de 10 Hz, et son coefficient de Poisson de 0,35. La GB3 est considérée collée sur son support. Le BAC est réalisé en béton de ciment de classe 5 de la norme NF P , armé de façon continue. Son module de calcul est de MPa et son coefficient de Poisson de 0,25. Plusieurs hypothèses de collage sont testées (voir ci-dessous). Son épaisseur est l inconnue du problème, objet du calcul. Le BBTM a une épaisseur de 2,5 cm. Son module est de MPa et son coefficient de Poisson de 0,35. Il est collé sur le BAC par l'intermédiaire de l'enduit superficiel. Collection «Les rapports» Sétra 9 mai 2007

12 La plate-forme support retenue est de classe 3 ou 4 (respectivement affectée d un module de 120 ou 200 MPa) et d un coefficient de Poisson de 0,35. L ensemble des caractéristiques des matériaux est résumé dans le tableau 2. Tableau 2 : Caractéristiques prises en compte pour le calcul de structure réalisé avec Alizé Matériaux Epaisseur (m) Module E (MPa) Coefficient de Poisson ν Qualité de l'interface BBTM 0, ,35 Collée BAC Variable ,25 Collée/Décollée GB3 0, ,35 Collée Pfi Infinie 120 ou 200 0,35 - Les sollicitations admissibles retenues sont indiquées dans le tableau 3 ci-après pour chacune des couches et ont été calculées selon les formules usuelles. Tableau 3 : Caractéristiques des valeurs admissibles Matériaux σ6 (MPa) ε6 (μdéf) -1/b E 15 C (MPa) E 10 C (MPa) SN Sh (m) δ kc 1/kd 1/ks BAC 2, ,01 1,05 1,5 1,07 - GB ,3 0,01 0,316 1,3 - (1) (1) ks=1/1,2 pour PF1 ; 1/1,1 pour PF2 ; 1 pour PF3 et PF4 SN : écart type reproduisant la dispersion observée à l'essai de fatigue, Sh : écart type sur la dispersion des épaisseurs de mise en œuvre, δ : écart type résultant des deux valeurs précédentes. Le trafic cumulé est déterminé : pour les Voies du Réseau Structurant (VRS) sur une durée de 30 ans, avec un taux de croissance arithmétique annuel de 5%; pour les Voies du Réseau Non Structurant (VRNS) sur une durée de 20 ans, avec un taux de croissance arithmétique annuel de 2%. Les valeurs de risques retenues dans le tableau 4 sont celles des structures rigides [1, 2] (y compris pour la couche de GB3). Ces valeurs sont rappelées dans le tableau ci-après. Tableau 4 : Valeurs de risque retenues Classe de trafic TC8 TC7 TC6 TC5 TC4 Risque (%) 1 1 2,5 5 7,5 Collection «Les rapports» Sétra 10 mai 2007

13 Structures de la circulaire DR du 3 octobre 2000 La circulaire indique les dimensionnements considérés comme expérimentaux, pour les deux types de voies (VRS et VRNS). Ces structures ont été calculées avec les hypothèses citées précédemment, plus celle d'un collage des couches BAC/GB pendant 15 ans, et d'un décollement pendant années suivantes (soit 15 ans pour les VRS dimensionnées pour 30 ans, et 5 ans les VRNS dimensionnées pour 20 ans). Le coefficient 1/kd a été pris égal à 1,07. Par ailleurs l'hypothèse d'un renouvellement du BBTM de surface par un autre BBTM à 15 ans a conduit à réduire d'un centimètre l'épaisseur de BAC. Un grenaillage est réalisé sur la GB pour améliorer le collage du BAC sur la grave bitume. Ceci a conduit aux épaisseurs théoriques suivantes, par exemple pour les couples TC6/PF3 et TC6/PF4 (voir circulaire donnée en annexe) : Tableau 5 : Structures proposées par la circulaire DR du 3 octobre 2000 Enduit + BBTM : 3 cm Exemple VRS, TC6/PF3 BAC : 17 cm GB3 : 9 cm Enduit + BBTM : 3 cm Exemple VRS, TC6/PF4 BAC : 15 cm GB3 : 9 cm Les sections expérimentales Ces sections de faible épaisseur de BAC ont été dimensionnées pour vérifier les hypothèses précédentes dans une période relativement courte. Selon les hypothèses de collage et de coefficient 1/kd prises en compte, les épaisseurs de BAC de 10 cm et de 12 cm conduisent aux durées de vie indiquées dans le tableau 6, pour un trafic PL à la mise en service de PL/jour/sens : Tableau 6 : Durée de vie des sections expérimentales selon l'épaisseur de BAC et la valeur de 1/kd Epaisseur de BAC (cm) Durée de vie en année (hypothèse décollée à 10 ans) Durée de vie en années (hypothèse collée > 15 ans) 1/kd = 1,47 1/kd = 1,07 1/kd = 1,47 1/kd = 1, Dans le cas où le BAC est considéré comme parfaitement collé sur la GB, c'est cette dernière qui casse en premier. Dans le cas où après une période de collage, que l'on peut estimer par exemple à 10 ans, il y a décollement, la durée de vie de la chaussée est courte avec rupture rapide de la couche en béton. A noter que dans le cas de la RN 141, l'épaisseur nominale de la grave bitume n'est que de 8 cm. Toute la question est donc de savoir combien de temps le collage des deux couches va durer. Collection «Les rapports» Sétra 11 mai 2007

14 Les chantiers expérimentaux : RN 141 et RN 4 Caractéristiques des sites expérimentaux Deux chantiers expérimentaux ont été réalisés : le premier en 1998 dans le département de la Charente, sur la RN 141 itinéraire Angoulème-Limoges au lieu dit "Déviation des Rassats-Favrauds" chaussée droite (sens des PR croissants) ; le deuxième en 2001 dans le département de la Moselle, sur la RN 4 itinéraire Nancy-Strasbourg au lieu dit "Déviation de Bébing-Imling" sur les deux chaussées droite et gauche. Chaque chantier a fait l'objet d'expérimentations de plusieurs types de structures qui sont décrites ci-après. Le chantier de la RN 141 en Charente Les différentes sections sont repérées en PR + abscisses par rapport au bornage actuel. Pour l'ensemble des structures, sauf sur la structure 5, l'épaisseur théorique de GB3 est de 8 cm. Cette couche a été mise en œuvre sur 9 cm et rabotée sur 1 cm, sauf sur la section 4, où une section de 200 m (entre les PR à ) est restée brute. Sur la structure 5, l'épaisseur de BBSG de classe 2 (norme NF P ) est de 5 cm. Cette structure est celle du catalogue des structures types de chaussées neuves de 1998 [1]. Pour l'ensemble des sections, les épaisseurs des couches de chaussées sont théoriquement constantes dans le profil en travers. Elles sont reportées dans le tableau 7. Tableau 7 : Description des différentes structures de la RN 141 N structure Epaisseurs théoriques du BAC PR Longueur (m) Hypothèses de dimensionnement (le coefficient 1/kd a été pris égal à 1,47 pour ce chantier expérimental) Intermédiaire 20 cm à 10 cm à m 1 10 cm à m Interface collée, durée de service de 4 ans Intermédiaire 10 cm à 8 cm à m 2 8 cm à m Interface collée, durée de service de 2 ans Intermédiaire 8 cm à 16 cm à m 3 16 cm à m Interface collée, durée de service de 30 ans Intermédiaire 16 cm à 19 cm à m 4 19 cm à m Interface semi-collée, durée de service de 30 ans 4 bis 19 cm à m Grave bitume non rabotée 5 24 cm à m Interface décollée, durée de service de 30 ans Remarque : le béton est de granulométrie 0/10 des PR à et 0/20 des PR à PR Le chantier de la RN 4 en Moselle Ce chantier a eu pour objectif de confirmer les hypothèses de dimensionnement du chantier de la RN 141 dans un climat plus continental. Collection «Les rapports» Sétra 12 mai 2007

15 Les différentes sections sont repérées en PR + abscisses par rapport au bornage actuel de la route. L'épaisseur de GB est constante sur toutes les sections. Sauf sur les sections tests (structures 3 et 4) de la chaussée droite (sud), un enduit superficiel 4/6 a été réalisé sur le BAC après grenaillage au dosage de 800 grammes de bitume résiduel. Cet enduit a été recouvert avant la mise en service de la chaussée d'un BBTM 0/10 au liant modifié sur une épaisseur moyenne de 2,5 cm avec une couche d'accrochage d'environ 250 g/m² de bitume résiduel. Les différentes structures sont décrites dans le tableau 8. Tableau 8 : Description des différentes structures en BAC de la RN 4 N structure Epaisseurs théoriques du BAC PR Longueur (m) Hypothèses de dimensionnement (le coefficient 1/kd a été pris égal à 1,07 pour ce chantier expérimental) Chaussée gauche, sens Strasbourg > Nancy 1 17 cm (rive) à 14 cm (axe) à m Interface collée 15 ans puis décollée 15 ans Chaussée droite, sens Nancy > Strasbourg à m 2 16 cm (rive) à 14 cm (axe) à m à Interface collée, durée de service de 30 ans Intermédiaire 16 cm à 12 cm (constante en travers) à m 3 12 cm (constante en travers) à m Intermédiaire 12 cm à 10 cm (constante en travers) à m 4 10 cm (constante en travers) à m Intermédiaire 5 (témoin en GB) 10 cm à 20 cm (constante en travers) 2 x 11 cm (constante en travers) à m Interface collée, durée de service de 10 ou 14 ans selon la valeur de kd Interface collée, durée de service de 4 ou 10 ans selon la valeur de kd à m Section témoin, durée de service de 4 ans 2 bis 16 cm (rive) à 14 cm (axe) à m Grave bitume non grenaillée Expérimentale LCPC 16 cm (rive) à 14 cm (axe) à m Section totalement décollée Collection «Les rapports» Sétra 13 mai 2007

16 Caractéristiques des matériaux RN 141 La formulation de la grave bitume est la suivante : Tableau 9 : Formulation de la GB3 Granulats Granularité Provenance Dosage en % 0/2 Grenouillac 34 2/6 Grenouillac 15 6/10 Grenouillac 24 10/14 Grenouillac 27 Liant Bitume 35/50 4,85 MVA moyenne 2,45 t/m 3 Le module d'élasticité déterminé sur carottes prélevées in situ est (à 15 C et 10 Hz) de MPa en moyenne. Si on tient compte de la dispersion des mesures, la GB utilisée est à la limite inférieure de la classe 3 pour ce qui concerne le module. Pour le béton 0/20 la formulation retenue est la suivante : Tableau 10 : Formulation du béton 0/20 Granulats Granularité Provenance Dosage 0/2 Rancogne 710 kg/m 3 2/6 Grenouillac 190 kg/m 3 6/10 Grenouillac 465 kg/m 3 10/20 Grenouillac 500 kg/m 3 Plastifiant - Sika 0,6 % poids du ciment Entraineur d'air - Sika 0,08 % poids du ciment Ciment CEM II/A 32,5 R - La Couronne 330 kg/m 3 Eau d'apport kg/m 3 Pour le béton 0/10 la formulation est la suivante : Tableau 11 : Formulation du béton 0/10 Granularité Provenance Dosage Granulats 0/2 Rancogne 610 kg/m 3 2/6 Grenouillac 430 kg/m 3 6/10 Grenouillac 750 kg/m 3 Plastifiant - Sika 0,6 % poids du ciment Entraineur d'air - Sika 0,08 % poids du ciment Ciment CEM II/A 32,5 R - La Couronne 380 kg/m 3 Eau d'apport kg/m 3 Les caractéristiques de l'étude et des contrôles réalisés, permettent de classer les bétons dans la catégorie 5 de la norme NF P Collection «Les rapports» Sétra 14 mai 2007

17 RN 4 La formulation de la grave bitume est la suivante : Tableau 12 : Formulation de la GB3 Granularité Provenance Dosage en % Granulats 0/6 Trapp 40 6/14 Trapp 60 Liant Bitume 35/50 4,5 MVA moyenne 2,45 t/m 3 Les mesures de compacité réalisées sur site ont montré que les valeurs étaient correctes mais en limite basse (autour de 91%) de la valeur prescrite. A noter que, selon les matériels de contrôles utilisés, les valeurs de compacité varient de 89 % (GDF 30, matériel non contractuel) à 93 % (banc gamma). La pesée hydrostatique, qui représente peut être la valeur la plus fiable, a donné des résultats de 92 % de compacité. Le module mesuré sur carotte est en limite basse de la classe GB3. Pour le béton 0/14 la formulation retenue est la suivante : Tableau 13 : Formulation du béton 0/14 Granularité Provenance Dosage Granulats 0/3 Bischwiller 550 kg/m 3 0/6 Trapp 235 kg/m 3 6/14 Trapp 1085 kg/m 3 Plastifiant - Sika 0,5 % poids du ciment Entraineur d'air - Sika 0,05 % poids du ciment Ciment CEM II/A 32,5 R - Heming 330 kg/m 3 Eau d'apport kg/m 3 Les caractéristiques de l'étude et des contrôles réalisés permettent de classer les bétons dans la catégorie 5 de la norme NF P La réalisation et le suivi des travaux Réalisation de la RN 141 Couche de forme A l'exception de la section 1, la couche de forme a été réalisée en matériaux non traités. Les résultats des essais communiqués ne concernent que les sections de 8 et 10 cm de BAC. Sur la section de 8 cm de BAC, la moyenne mesurée de la portance est de 130 MPa, ce qui correspond bien à la performance mécanique d'une PF3. Collection «Les rapports» Sétra 15 mai 2007

18 Sur la section de 10 cm de BAC, le traitement du sol au ciment à conduit à un module de l ordre de 300 MPa, soit largement une classe 4 pour les caractéristiques mécaniques de la plate forme. Grave bitume La réalisation de la grave bitume GB 3 s'est faite en juin et juillet Les contrôles réalisés par le LR de Bordeaux indiquent que les teneurs en liant et la compacité sont conformes au marché (entre 6 et 7 % de teneur en vide). En revanche les épaisseurs trouvées sur carottes montrent une sous-épaisseur générale de la grave bitume après fraisage : épaisseur moyenne de 6,5 cm sur la structure 2 (8 cm de BAC) ; épaisseur moyenne de 8 cm sur la structure 1 (10 cm de BAC) mais avec une dispersion importante. En résumé la tolérance d'épaisseur demandée au marché de ± 1 cm n'a pas été respectée, avec un sousdimensionnement général de la grave bitume constaté par carottage alors que les mesures de nivellement communiquées par l'entreprise donnait des valeurs conformes aux exigences du marché. Béton Les caractéristiques du béton sont en moyenne journalière supérieure à 3,1 MPa en fendage, sauf le premier jour de bétonnage (structure 5) où la moyenne est de 2,9 MPa. Les épaisseurs de béton sont "théoriquement" conformes avec une tolérance relevée par altimétrie de ± 1 cm. Cependant sur les 3 carottes réalisées en juin 2005 les épaisseurs réelles trouvées sont de 17 cm au lieu de 19 théoriques. Tableau 14 : Epaisseurs (cm) contrôlées par altimétrie par la DDE Enrobé Béton Section Côté BAU Côté TPC Côté BAU Côté TPC Moyenne Etendue Moyenne Etendue Moyenne Etendue Moyenne Etendue Structure 5 5 BBSG + 24 BAC Structure 4 8 GB + 19 BAC Structure 3 8 GB + 16 BAC Structure 2 8 GB + 8 BAC Structure 1 8 GB + 10 BAC 4,9 3,1 à 5,7 5,6 4,3 à 6,9 24,0 20,3 à 25,5 22,8 21,2 à 24,1 8,1 4,8 à 10,2 8,4 6,6 à 9,5 18,1 15,9 à 19,4 17,9 16,5 à 20,7 7,4 5,9 à 9,4 8,0 6,2 à 10,2 15,6 14,4 à 17,1 14,9 14,2 à 17,3 6,3 4,2 à 7,4 7,0 4,5 à 8,8 8,4 7,5 à 9,3 8,8 7,6 à 11,1 7,9 6,9 à 9,6 7,0 4,5 à 8,8 8,4 7,5 à 9,3 8,8 7,6 à 11,1 On notera la difficulté de mise en œuvre de la section de 8 cm de BAC avec une machine conçue pour des mises en œuvre de matériaux plus importantes (difficulté de vibration du béton, arrachement des aciers par la machine, etc.). Collage des couches Sur les essais réalisés en novembre 2000 par carottage, l'ensemble des couches, y compris GB sur couche de forme, étaient collées. Collection «Les rapports» Sétra 16 mai 2007

19 Réalisation de la RN 4 (chaussée droite et gauche) Couche de forme La couche de forme a été réalisée en matériaux non-traités sur la partie "ouest" (entre les PR et ) et en matériaux traités au ciment sur la partie "est" (entre les PR et ). Le niveau de portance 3 a été atteint sur la partie "ouest" sauf en 2 zones notamment vers le PR sur la section test de 12 cm de BAC où la portance a été mesurée à 90 MPa. Sur la section "est" la portance a été en moyenne de 170 MPa, ce qui correspond bien à une PF3. Grave bitume La réalisation de la grave bitume de classe 3 s'est faite en juillet et août Les caractéristiques de fabrication sont bonnes. En revanche les teneurs en vide sont parfois un peu faibles, même si la moyenne des contrôles est correcte. L'épaisseur moyenne est de 10 cm au lieu des 9 cm attendus. Le respect du nivellement à ± 1 cm n'a pas été obtenu en tout point. Il se situe entre ± 2 cm. Béton Les caractéristiques de fabrication et de mise en œuvre ont été conformes. En moyenne les épaisseurs de mise en œuvre sont légèrement supérieures aux exigences. La tolérance de mise œuvre à ± 1 cm a été respectée. Comportement de la RN 141 Travaux d'entretien A la date de rédaction du présent rapport, seuls des travaux de remise en état de la section de 8 cm de BAC sur la RN 141 ont été réalisés. En novembre 1999, soit environ 1 an après sa mise en service, la section de 8 cm de BAC a présenté 3 punchouts (départ du béton en blocs laissant à nu les armatures) dans les bandes de roulement, régulièrement espacés d'environ 10 mètres. Le renforcement de la chaussée a été décidé par le Sétra et le maître d'œuvre pour éviter tout problème de sécurité. La section a été renforcée par 11 cm de GB3, réalisés dans de mauvaises conditions atmosphériques, ce qui a conduit à une nouvelle intervention pour la remplacer en septembre 2004 entre les PR à Pour rendre conforme l'ensemble du chantier à la fiche DR de 2000 (donnée en annexe), un recouvrement par un enduit ou une couche d'accrochage renforcée a été décidé et mis en place en octobre La couche d'étanchéité a les caractéristiques suivantes : PR à , couche d'accrochage au liant modifié à 480 g/m² d'émulsion résiduelle ; PR à , enduit 4/6 avec dosage du liant modifié à 840 g/m² de bitume résiduel. Le BBTM 0/10 de type 1 (norme XP P ) a été mis en œuvre sur l'ensemble du chantier. Collection «Les rapports» Sétra 17 mai 2007

20 Le trafic actuel est de véhicules jour avec 19 % de PL, soit un trafic poids lourds de PL/J/sens. Sur cette section, depuis sa mise en service le taux de croissance est de 4 % arithmétique. Le trafic cumulé sur la section depuis sa mise en service en 1999 est de l'ordre de 3, PL, soit environ 4, NE (nombre équivalent d'essieux de référence, chargés à 130 kn). Analyse et interprétation des essais réalisés Des essais de mesures d'ovalisation ont été réalisés en juin 2005, notamment pour valider l'hypothèse de collage entre les différentes couches de la chaussée. Ces mesures ont dans un premier temps été ciblées sur la zone où la grave bitume n'avait subi aucun traitement (structure 4 bis). Le rapport (dossier R.594) établi par le laboratoire régional (LR) de Bordeaux indique que pour les trois carottes réalisées sur cette section, le BAC est collé sur la grave bitume, même si pour l'une d'entre elle un décollement à l'extraction a été observé. Sur les 3 carottes les épaisseurs de matériaux mesurées montrent un sous dimensionnement important, tant de la couche de BAC (17 cm moyen pour 19 cm théorique), que pour la couche de GB (6 cm en moyenne pour 8 en théorie). Photo 1 : RN 141, carotte au PR , section de GB non rabotée Comportement des sections fusibles La section de 8 cm de BAC a dû être renforcée après un an de mise en service, après rupture par punch-out. Le béton a été réalisé avec difficulté dans la mesure où la machine à coffrages glissants ne travaillait pas dans les épaisseurs normales de mise en œuvre. Par ailleurs un problème de venue d'eau par le terre-plein central (TPC) a été observé, ce qui a probablement accentué le phénomène de punch-out. La section de 10 cm a en revanche un excellent comportement à ce jour. Collection «Les rapports» Sétra 18 mai 2007

21 Une carotte a été réalisée, et elle montre un excellent collage des couches. Il faut rappeler que la couche de forme à cet endroit a une portance PF4. Photo 2 : RN 141, carotte sur section de 10 cm de BAC au PR Comportement de la RN 4 Travaux d'entretien A ce jour aucun travail d'entretien n'a été réalisé (hormis l'entretien des joints de dilatation du BAC). A noter que les sections test de 10 et 12 cm de BAC ne sont pas revêtues par l'enduit et le BBTM contrairement à la RN 141 (à la demande du Sétra, pour suivre l'évolution des structures). Il conviendra dès l'apparition des premiers désordres de réaliser au moins un enduit superficiel pour rétablir l'étanchéité de la chaussée. Analyse et interprétation des essais réalisés Des essais d'ovalisation ont été réalisés en septembre 2005 par le LR de Nancy (dossier ). Deux carottes ont été réalisées sur la section test de 10 cm de BAC dont une sur une fissure transversale du BAC. Les deux essais montrent que les couches de BAC et GB sont parfaitement collées. La fissuration du BAC s'est transmise dans la grave bitume sans amorcer le décollement des deux couches. Collection «Les rapports» Sétra 19 mai 2007

22 Photo 3 : RN 4 carotte au PR , section 10 cm de BAC Trois autres carottes ont été réalisées sur la section 2 bis en GB non grenaillée. L'une des carottes s'est décollée au carottage. Cependant les essais d'ovalisation montrent que, comme pour la RN 141 et pour les 3 essais, la chaussée fonctionne en couches collées. Photo 4 : RN 4, carotte au PR , sur grave bitume non grenaillée Collection «Les rapports» Sétra 20 mai 2007

23 Sur toutes les carottes réalisées, les épaisseurs des couches de BAC et de GB sont supérieures aux épaisseurs théoriques (18 cm de BAC au lieu de 16, et 10,5 cm de GB au lieu de 9).Le trafic poids lourds en 2003 a été de PL par jour et par sens, pour un trafic total de véhicules (deux sens). Le taux de progression annuel est de l'ordre de 8 %. Le trafic cumulé depuis la mise en service en 2002 sera de l'ordre de 2,2 millions de PL par sens de circulation fin 2005, soit environ 2, NE. Section expérimentale LCPC, BAC décollé de la grave bitume Sur une longueur de 4 mètres, le BAC (de 16 cm d'épaisseur) a été décollé totalement de la GB par interposition d'une membrane épaisse. L'objectif de cette expérimentation était de mesurer l'évolution du décollement de part et d'autre de la section. Chaque année des mesures sont réalisées avec l'appareil Colibri du LCPC, en bandes de roulement de rive et d'axe et entre bandes de roulement de la voie lente ; les dernières datent d'août Les mesures Colibri permettent de visualiser l'endommagement d'une structure sur une large bande de fréquences. La bande de fréquence altérée dépend à la fois de l'étendue du défaut, de sa profondeur et du type de défaut d'interface rencontré. La figure 2 montre cet endommagement sur la gamme de fréquence 0-5 khz. À partir de ces résultats, on calcule un endommagement moyen sur une bande de fréquences sensibles à l'interface entre le BAC et la GB. Cette bande, définie par les travaux de B. Pouteau [3], s'étend de 1,025 à 1,318 khz. La figure 3 montre l'évolution de l'endommagement moyen sur cette bande de fréquences au cours des 5 années. On observe une légère augmentation de l'endommagement moyen à l'abscisse 1 mètre et entre les abscisses 1,5 et 2 mètres, c'est à dire avant la section décollée. Cette augmentation n'est pas suffisante pour indiquer une propagation du décollement de l'interface BAC sur GB. Elle pourrait également être due à un décollement du BBTM sur le BAC. En deçà de la section, on n'observe pas, contre toute attente, de propagation significative du décollement. De plus aucune dégradation n'a été observée à ce jour. Ce résultat est intéressant, car il pourrait laisser supposer qu'au niveau des zones de raccordement du BAC aux ouvrages d'art et aux chaussées classiques, le décollement inévitable, dû aux mouvements de dilatation/contraction du BAC, ne se propagerait pas ou du moins pas aussi rapidement que ce que pouvaient laisser penser les hypothèses de fonctionnement de ce type de structure. Un suivi complémentaire avec campagne de carottage est nécessaire pour conclure sur les résultats de cette planche expérimentale. Figure 2 : Endommagement de la structure dans la bande 0-5 khz mesuré par Colibri lors de 3 auscultations Collection «Les rapports» Sétra 21 mai 2007

24 Figure 3 : Comparaison de l'endommagement moyen dans la bande de fréquences 1,025 1,318 khz au cours des différentes auscultations de la section expérimentale. Evolution de la fissuration sur les sections tests Le nombre de fissures a été relevé chaque année et leur position reportée sur un schéma. La figure 4 ci-après donne l'évolution du pas de fissuration pour chacune des sections tests. pas de fissuration (en m) 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0, Année 16 cm à 12 cm 12 cm 12 cm à 10 cm 10 cm 10 cm à 20 cm Figure 4 : Evolution du pas de fissuration en fonction de l'épaisseur de BAC depuis 2001 On constate un pas de fissuration qui diminue régulièrement, avec une accélération un peu plus forte en 2003, année de sécheresse. Ce pas semble se stabiliser vers un mètre en moyenne. Il est identique entre les sections de 10 et de 12 cm d'épaisseur. Quelques fissures commencent à se dédoubler en "Y", ce type de fissure pouvant conduire à des éclatements de béton tels qu'ils ont pu être observés sur la section de 8 cm de la RN 141. On note que sur la dernière section la fissuration est quasiment inexistante sur les 15 derniers mètres, en limite du BAC, ce qui peut laisser supposer que les mouvements du BAC en extrémités sont libres. Collection «Les rapports» Sétra 22 mai 2007

25 Mouvements du BAC en extrémité de chaussée Pour mesurer les mouvements de la chaussée en BAC en extrémité de dalles ou au raccordement avec les ouvrages d'art, des plots ont été positionnés sur la RN 4 près du passage inférieur PI 11, au PR Les repères X2 et X4 sont sur la chaussée nord (sens Strasbourg > Nancy) et le repère X6 sur la chaussée sud (grave bitume non grenaillée). Des mesures sont effectuées 2 fois par an, en hiver et en été. Les résultats sont décrits dans le tableau suivant : Tableau 15 : Mouvements mesurés à l'extrémité du BAC Date Température au sol Ecart par rapport au point zéro (août 2000) Août C Repère X2 Repère X4 Repère X6 23/01/03 0 C 0 mm 0 mm +4 mm 07/07/03 15 C -2 mm -2 mm -1 mm 26/07/04 15 C -5 mm -4 mm +3 mm 28/01/05-4 C -2 mm - +2 mm Les résultats montrent de faibles mouvements du bord libre de la chaussée en BAC. Aux incertitudes de mesures près, les mouvements sont, pour le moment, de l'ordre de quelques millimètres. Il sera cependant intéressant de voir si dans le temps, avec un décollement possible du BAC sur la GB, ces mouvements prennent de l'ampleur. Collection «Les rapports» Sétra 23 mai 2007

26 Conclusion Jusqu'à ce jour les structures BAC/GB se comportent plutôt bien. Hormis la section de 8 cm de BAC sur la RN 141 qui a dû être renforcée, mais pour des raisons extérieures à l'expérimentation (venues d'eau par le TPC, difficultés de réalisation lors des travaux), les sections tests ne présentent pas à ce jour d'endommagement. Les réponses apportées par les chantiers expérimentaux sont les suivantes, même si à ce stade du suivi, certaines ne peuvent être que partielles : grenaillage de la grave bitume avant mise en œuvre du BAC : les essais d'ovalisation réalisés sur les sections de GB non rabotées ou non grenaillées ont tous indiqué que la chaussée fonctionnait bien en mode collé. Cependant un doute subsiste car sur chacune des deux routes, l'une des carottes prélevées sur une section non fraisée (RN 141) ou non grenaillée (RN 4) s'est décollée au carottage, contrairement aux sections où la GB avait été traitée et où il n'y a eu aucun décollement. Par principe de précaution, à ce stade du suivi, il convient de recommander le grenaillage de la GB avant mise en œuvre du BAC. Il est probable que le fraisage réalisé sur la RN 141 assure en plus une liaison mécanique des couches. Cependant cette solution est difficilement défendable économiquement. collage des couches BAC/GB : sur toutes les sections tests, toutes les couches sont aujourd'hui collées et ne semblent pas présenter de signe de décollement. Les calculs montrent que tant que les couches resteront collées, le béton ne fatigue pas et que c'est la couche de fondation en grave bitume qui travaille. S'il est aujourd'hui trop tôt pour prédire un collage pendant 30 ans, on peut estimer comme une hypothèse réaliste celle prise en compte dans les fiches de la circulaire DR de 2000 d'un collage pendant 15 ans. Les enseignements de la RN 141, sous-dimensionnée tant pour la GB que pour le béton, devraient permettre d'affiner le diagnostic plus rapidement. choix du coefficient "kd" : les premiers enseignements des deux chantiers expérimentaux viennent confirmer les résultats des calculs théoriques. Pour les sections de faible épaisseur (inférieure à 20 cm) et collées sur leur support, la valeur du coefficient 1/kd prise en compte dans le guide de dimensionnement de 1994 est pessimiste et doit être en réalité inférieure à 1,47. Les résultats du comportement des sections expérimentales ne viennent pas à ce jour contredire les hypothèses prises en compte dans la fiche de la circulaire DR de 2000 (1/kd = 1,07), mais qui est peut-être optimiste. La rupture des sections expérimentales permettra d'affiner la valeur du coefficient 1/kd, critère important quant à la détermination des épaisseurs de BAC. intérêt du revêtement enduit plus BBTM : les fissures du BAC favorisent la pénétration de l'eau superficielle dans la couche de béton. L'enduit superficiel est indispensable car il permet d'assurer l'étanchéité du revêtement. Le BBTM dont l'apport structurel est faible permet de garantir de bonnes qualités d'usages. Cette étanchéité du BAC a permis notamment de supprimer le drainage latéral de la chaussée. Collection «Les rapports» Sétra 24 mai 2007

27 Bibliographie [1] Catalogue des structures types de chaussées neuves Réseau routier national. Sétra, LCPC, 1998 (référence Sétra : D9828) [2] Conception et dimensionnement des structures de chaussée. Guide technique. Sétra, LCPC, 1994 (référence Sétra : D9511) [3] Durabilité mécanique du collage blanc sur noir dans les chaussées Thèse de doctorat. POUTEAU, B. LCPC, 2004, 232 p. Collection «Les rapports» Sétra 25 mai 2007

28 Annexe Courrier du directeur des routes du 3 octobre 2000 relatif à la structure expérimentale de chaussée et au recyclage des matériaux de chaussée. Collection «Les rapports» Sétra 26 mai 2007

29 Collection «Les rapports» Sétra 27 mai 2007

30 Collection «Les rapports» Sétra 28 mai 2007

31 Collection «Les rapports» Sétra 29 mai 2007

32 Collection «Les rapports» Sétra 30 mai 2007

33 Collection «Les rapports» Sétra 31 mai 2007

34 Collection «Les rapports» Sétra 32 mai 2007

35 Collection «Les rapports» Sétra 33 mai 2007

36 Un nouveau concept de chaussée en béton a été imaginé et testé en France à partir de Il s'agit d'une structure de béton armé continu collée sur une fondation en grave bitume. Deux chantiers expérimentaux, réalisés en 1998 et 2001 sur des routes à fort trafic, ont été mis en oeuvre pour évaluer ce nouveau concept de chaussée rigide et vérifier les hypothèses prises pour son dimensionnement théorique. Le présent rapport fait un premier bilan d'étape du comportement de ces chaussées après un passage significatif de véhicules lourds. Rédacteur(s) Jean-Maurice Balay (LCPC Nantes), Yves Guidoux (Sétra/CSTR), Gilles Laurent (CETE de l'ouest), Hugues Odéon (CETE de l'est - LR de Strasbourg), Jean-Michel Simonin (LCPC Nantes) Document consultable et téléchargeable sur les sites web du Sétra : Internet : I2 (réseau intranet du ministère de l'equipement) : L autorisation du Sétra est indispensable pour la reproduction même partielle de ce document Sétra Référence : 0717w - ISRN : EQ-SETRA--07-ED21--FR