Soutenance mémoire
CONTEXTE ET PROBLÉMATIQUE DES CHAUSSÉES COMPOSITES
Composition d’une structure de chaussée
Une chaussée est une structure composite qui se compose d’un empilement de couches de matériaux granulaires, liés ou non. Sur une coupe de chaussée, selon la description générale adoptée en France [LCPC-SETRA, 1994], on associe à chacune des couches une fonction . La plate-forme support de chaussée est constituée du sol terrassé, dit sol support ou partie supérieure des terrassements (PST), surmontée généralement d’une couche de forme en matériaux granulaires, sableux ou limoneux, traités ou non traités au liant hydraulique. Pendant la phase de travaux, la couche de forme a pour rôle d’assurer une qualité de nivellement permettant la circulation des engins pour la réalisation du corps de chaussée. Vis-à vis du fonctionnement mécanique de la chaussée, la couche de forme permet d’augmenter la capacité portante de la plate-forme support de chaussée. Les couches d’assise sont généralement constituées d’une couche de fondation surmontée d’une couche de base. Elles apportent à la structure de chaussée l’essentiel de sa rigidité et répartissent (par diffusion latérale) les sollicitations, induites par le trafic, sur la plate-forme support afin de maintenir les déformations à un niveau admissible. La couche de surface est constituée d’une couche de roulement reposant éventuellement sur une couche de liaison intermédiaire. La couche de roulement assure la fonction d’étanchéité des couches d’assise vis-à-vis des infiltrations d’eau et des sels de déverglaçage, et à travers ses caractéristiques de surface, elle garantit la sécurité et le confort des usagers.
Le guide technique français de conception et dimensionnement des structures de chaussée [LCPC-SETRA, 1994] définit cinq catégories de matériaux de chaussée qu’on peut classer en trois grandes familles :
• les matériaux granulaires non liés sont réunis par la norme NF EN 13285 (norme française NF P 98-129) sous l’appellation Graves Non Traitées (GNT). Ils sont fréquemment utilisés pour la réalisation de corps de chaussées à faible trafic ;
• les matériaux noirs (en référence à la couleur du liant) regroupent les matériaux traités aux liants hydrocarbonés à chaud (souvent désigné matériaux bitumineux) suivant les normes NF EN 13108-1 à NF EN 13108-8 et les matériaux traités à l’émulsion de bitume (autrement désigné matériaux bitumineux à froid) suivant la norme NF P 98-121 ;
• les matériaux blancs regroupent les matériaux traités aux liants hydrauliques NF EN 14227-1 à NF EN 14227-5 et les bétons de ciment NF P 98-170.
Les differents types de structures de chaussée
Le réseau routier et autoroutier français est composé de plusieurs types de structures de chaussée. On présente ici les différentes familles de chaussée, des chaussées noires (composées uniquement de matériaux bitumineux) aux chaussées blanches (composées uniquement de matériaux traités aux liants hydrauliques). D’après le catalogue des structures types de chaussées neuves [LCPC-SETRA, 1998], on peut regrouper les différents types de chaussées comme suit :
• les chaussees souples traditionnellement comportent une épaisseur d’enrobés bitumineux inférieure ou égale à 15 cm et une ou plusieurs couches de matériaux granulaires non traités dont l’épaisseur totale courante varie de 20 à 50 cm, selon le trafic. Etant donnée leur faible rigidité, elles sont utilisées sur les réseaux peu sollicités par le trafic poids lourd. Pour le dimensionnement, les couches sont considérées comme étant collées entre elles.
• les chaussées bitumineuses épaisses comportent une couche de roulement sur un corps de chaussée en matériaux traités aux liants hydrocarbonés, fait d’une ou deux couches (base et fondation). L’épaisseur des couches d’assise est le plus souvent comprise entre 15 à 40 cm. Les contraintes verticales transmises au sol support sont faibles car atténuées par leur diffusion importante dans les couches d’assises liées. Celles-ci reprennent donc cette charge en termes de traction et flexion. Selon la qualité de l’interface, entre les couches d’assises, la déformation horizontale maximale sera située à la base de la couche la plus profonde (collage parfait) ou à la base de chacune des couches (glissement parfait). Pour le calcul de la chaussée neuve, on considérera un collage parfait.
• les chaussées à assise traitée aux liants hydrauliques (semi-rigides), comportent une couche de surface bitumineuse (d’épaisseur variable selon le trafic supporté) sur une assise en matériaux traités aux liants hydrauliques disposés en une ou deux couches (base et fondation) dont l’épaisseur totale est de l’ordre de 20 à 50 cm. Grâce à sa grande rigidité, ces structures permettent de ne transmettre que des efforts verticaux très faibles au support. Par contre, elles sont elle-même soumises à des contraintes de traction-flexion importantes. La structure est modélisée en considérant un collage parfait entre la couche de roulement et la couche de base et entre la couche de fondation et le sol support. En revanche, la liaison entre la couche de base et la couche de fondation dépend de la nature du liant, elle peut être soit collée, soit décollée, soit intermédiaire (moyenne des cas collé et décollé). Elles sont utilisées sur les réseaux importants, notamment sur le réseau routier national.
• les chaussées à structure mixte comportent une couche de roulement et une couche de base en enrobés bitumineux (épaisseur de base 10 à 20 cm) sur une couche de fondation en matériaux traités aux liants hydrauliques (20 à 40 cm). Les structures qualifiées de mixtes sont telles que le rapport de l’épaisseur de matériaux bitumineux à l’épaisseur totale de la chaussée soit de l’ordre de 1/2. Alors que la couche de fondation sert à atténuer et à diffuser les contraintes transmises au sol support grâce à sa grande rigidité, la couche de base en matériaux traités aux liants hydrocarbonés, grâce à son épaisseur, a pour fonction de ralentir la remontée de la fissuration transversale de la couche inférieure en matériaux traités aux liants hydrauliques. Lors du calcul de ces structures, on considérera deux phases : initialement toutes les couches sont collées entre elles, et lors de la seconde phase de fonctionnement, l’interface entre la couche de base et la couche de fondation est glissante. Ces chaussées peuvent supporter un trafic conséquent, mais sont moins utilisées que les précédentes.
• les chaussées à structure inverse se composent de couches bitumineuses, d’une quinzaine de centimètres d’épaisseur totale, sur une couche en grave non traitée (d’environ 12 cm) reposant elle-même sur une couche de fondation en matériaux traités aux liants hydrauliques qui joue également le rôle de couche de fondation. L’épaisseur totale atteint 60 à 80 cm. Toutes les interfaces sont supposées collées. Ces structures sont faiblement utilisées, même si elles peuvent théoriquement supporter un trafic important.
• les chaussées en béton de ciment ou chaussées rigides sont constituées d’une couche de base en béton de ciment (BC) de 15 à 40 cm d’épaisseur, qui sert aussi de couche de roulement, et qui repose soit sur une couche de fondation en matériaux traités aux liants hydrauliques ou en béton maigre, soit sur une couche drainante en graves non traitées, soit sur une couche d’enrobé reposant elle-même sur une couche de forme traitée aux liants hydrauliques. La structure peut éventuellement être recouverte d’une couche bitumineuse mince. La dalle en béton est la partie de la structure qui reprend en flexion quasiment tous les efforts induits par le trafic.
Usuellement, on classe les types de chaussées en béton selon la façon dont sont localisées et, éventuellement, traitées les discontinuités associées aux retraits thermique et de la prise du béton [LCPC-SETRA, 2000] :
• les chaussées à structures à dalles sans fondation, sont une variante à la technique des dalles dites « californiennes ». Elle sont installée sur une couche drainante (grave creuse ou géocomposite drainant). L’épaisseur des dalles en béton de ciment sans fondation varie de 28 à 39 centimètres.
• les chaussées à dalles courtes non armées et goujonnées (BCg) permettent d’améliorer le comportement des joints transversaux et le transfert de l’effort tranchant entre dalles. Des goujons sont ici disposés à mi-épaisseur de la dalle au droit de chaque joint. Cette technique est adaptée aux moyens et forts trafics. À titre indicatif, l’épaisseur des fondations en béton maigre varie de 14 à 22 cm et celle des dalles de béton de ciment goujonné de 16 à 22 centimètres.
• les chaussées en béton armé continu (BAC) sur une fondation en matériaux traités aux liants hydrauliques ou aux liants hydrocarbonés reposent sur une plate-forme traitée au liant hydraulique. Le béton armé continu s’avère bien adapté aux chaussées à fort trafic (pour lesquelles les contraintes d’exploitation sont importantes), en construction neuve et en renforcement.
Le dimensionnement de ces structures de chaussée est largement conditionné par les hypothèses mécaniques de transmission des contraintes au niveau des interfaces. Alors que les couches de matériaux bitumineux sont supposées collées sur la couche sous-jacente, les couches de matériaux hydrauliques ou béton sont généralement supposées collées 15 ans puis décollées sur une couche faite en enrobé. Ceci réduit l’intérêt économique de ces structures. Aussi, afin d’offrir une solution concurrente aux chaussées classiques, deux nouvelles structures se développent depuis les années 1990 aux états Unis [Cole et al., 1998] et sont employées depuis moins d’une dizaine d’année en France [CIMbéton, 2004]. Ces structures combinent une couche de béton de ciment (pour leurs propriétés de durabilité et leur haut module) avec des couches en matériaux bitumineux (pour leurs bonnes propriétés d’adaptation). L’intérêt technique et économique de ces structures dépend essentiellement de la qualité et de la pérennité de l’adhérence mécanique entre ces couches [Pouteau et al., 2004]. Du fait du module d’élasticité élevé du béton de ciment, les efforts induits par le trafic sont essentiellement repris en flexion par la couche de béton. Les contraintes de compression transmises au sol sont faibles. Comme pour les chaussées à assise traitée aux liants hydrauliques, la sollicitation déterminante est la contrainte de traction par flexion à la base. Lors de la prise et des cycles thermiques, le béton subit des phases de retrait. La fissuration correspondante est généralement contrôlée, soit par la réalisation de joints transversaux, soit par la mise en place d’armatures continues longitudinales destinées à répartir par adhérence les déformations de retrait en créant de nombreuses fissures fines.
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Table des matières
INTRODUCTION GÉNÉRALE
I ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE
1 CONTEXTE ET PROBLÉMATIQUE DES CHAUSSÉES COMPOSITES
2 BIBLIOGRAPHIE SUR LES ESSAIS EN LABORATOIRE ET MODÈLES POUR ÉTUDIER LA FISSURATION ET LE DÉCOLLEMENT
II ESSAI DE DÉCOLLEMENT D’UN BICOUCHE EN FLEXION
4 POINTS
3 ANALYSE MÉCANIQUE DE L’ESSAI
4 MISE AU POINT DE L’ESSAI DE DÉCOLLEMENT ET VALIDATION DU M4-5n
III RÉSULTATS ET ANALYSE DES ESSAIS DE FLEXION 4 POINTS SUR BICOUCHE DE CHAUSSÉE
5 SYNTHÈSE DES RÉSULTATS D’ESSAI HORS EAU
6 EFFET DE L’EAU SUR LA TENUE DE COLLAGE
CONCLUSION GÉNÉRALE ET PERSPECTIVES
7 CONCLUSION GÉNÉRALE ET PERSPECTIVES
BIBLIOGRAPHIE
Bibliographie
ANNEXES
A DESCRIPTION DES MATÉRIAUX DE L’ÉTUDE
B DESCRIPTION DE LA FABRICATION DE L’ÉPROUVETTE BICOUCHE
C APPLICATION DU M4-5N EN DÉFORMATION PLANE
D APPLICATION DU M4-5N SUR L’ESSAI DE FLEXION 4 POINTS BICOUCHE
E DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL DE L’ESSAI DE FLEXION 4 POINTS
