Contribution des matériaux de couverture à la contamination métallique des eaux de ruissellement

 Les toitures métalliques à Paris – Repères historiques

L’histoire des toits de Paris est complexe : en effet, la forme des toits n’a eu de cesse de se transformer, depuis l’Antiquité jusqu’au XIXème siècle et l’apparition des immeubles Haussmanniens qui ont donné à Paris le visage que nous lui connaissons aujourd’hui (Leclercq et al., 1994). Cette transformation a été plus ou moins rapide au fil des siècles, mais a toujours été accélérée par les différentes modes et le développement de techniques nouvelles liées à la volonté d’alléger le poids du toit dans le but de construire toujours plus haut.

De Lutèce au Paris du XVIIIème siècle : de la tégula à une toiture plus réglementée 

Dans l’Antiquité, la cité gallo-romaine de Lutèce est constituée principalement de petites habitations en torchis, parfois en maçonnerie, de plain pied ou à un niveau. La technique de couverture classiquement utilisée pour ces bâtiments est, comme dans l’ensemble de l’Empire Romain, de la tuile plate (la tégula) associée à des couvre-joints à profil demi-circulaire ou en dièdre. Ce type de couverture sera repris sous une forme largement simplifiée au Moyen-Âge puisque seuls les couvre-joints – plus faciles à fabriquer – sont conservés pour les toitures des bâtiments à partir du XIIème siècle. L’utilisation du chaume et des bardeaux de bois, très utilisés à l’origine, régresse à partir de cette date en raison des incendies. A partir du XIVème siècle, la tuile et l’ardoise, plus solides se généralisent peu à peu. La tuile est fabriquée aux abords immédiats de la ville (Le « Palais des Tuileries » témoigne encore aujourd’hui de cette activité), l’ardoise quant à elle vient d’Anjou, de Mézières ou de Charleville, ce qui en fait un produit coûteux, généralement réservé aux couvertures des églises, des collèges ou des hôpitaux (Fierro, 1999). Peu à peu, des codes architecturaux apparaissent, imposant la hauteur des immeubles et la forme des toits. En 1784, une ordonnance spécifie une hauteur de façade à partir de laquelle l’alignement doit être respecté en rapport avec la largeur de la rue. La toiture prend ainsi une importance toute nouvelle : elle contribue à définir une homogénéité dans le paysage urbain.

La métamorphose de Paris : de la rigueur Haussmannienne à la souplesse toute relative du début du XXème siècle

Une révolution architecturale…
Au milieu du XIXème siècle, Paris garde encore son visage du Moyen-Âge, avec des rues sombres, étroites et insalubres. Napoléon III veut modifier profondément la ville, pour une meilleure circulation de l’air et des hommes, en adéquation avec les théories hygiénistes, mais aussi en réaction à l’épidémie de choléra de 1832. La campagne de rénovation qui est alors mise en place à partir des années 1850 par Haussmann, préfet de la Seine, sera intitulée « Paris embellie, Paris agrandie, Paris assainie ». Haussmann a l’obsession de la ligne droite, le « culte de l’axe », et est prêt pour leur création à démolir d’anciens bâtiments ou à amputer des espaces structurants tel que le jardin du Luxembourg. De larges boulevards et avenues sont percés de la place du Trône à la place de l’Etoile, de la Gare de l’Est à l’Observatoire… En parallèle de ces grands axes, des circuits d’adduction d’eau ainsi qu’un réseau moderne d’assainissement sont créés. Mais l’importance des pouvoirs publics ne se limite pas à la réalisation de nouveaux axes et à l’amélioration des conditions de salubrité de la ville, l’ensemble des bâtiments est concerné par de nouvelles règles : tant sur le gabarit des immeubles que sur l’esthétique des façades. C’est ainsi que dès le milieu des années 1850, les immeubles dits « haussmanniens» font leur apparition, les cinq étages carrés deviennent la règle, l’utilisation de la pierre de taille est obligatoire, les maisons mitoyennes doivent avoir « les mêmes hauteurs d’étage et les mêmes lignes principales de façade » (Fierro, 1999) : c’est l’esthétique du rationnel. En 1859, la hauteur des immeubles en fonction de la largeur de la rue est de nouveau réglementée, et les toits doivent impérativement s’inscrire sous une diagonale de 45°. A partir de 1870, un courant «anti-haussmannien » se développe, permettant notamment un assouplissement des règles liées à la toiture. Grâce aux décrets de 1882 et 1884 qui définissent de nouveaux standards, le toit devient un espace de liberté pour les architectes : les combles ne doivent plus s’inscrire sous une diagonale à 45° mais dans un arc de cercle dont le rayon est fonction de la largeur de la rue, permettant la construction d’un étage supplémentaire en retrait de façade. Le décret de 1902, permettant le développement des combles sur trois à quatre niveaux grâce à une inscription désormais autorisée dans un arc d’un huitième de cercle puis une diagonale à 45°, apporte encore plus d’exubérance aux toitures parisiennes. L’aspect des immeubles change sensiblement et les rues gagnent en richesse et en originalité, au détriment de l’uniformité, si chère à Haussmann.

… qui modifie fondamentalement l’usage des matériaux
Au fil de ces modifications architecturales, c’est l’usage même des matériaux qui a été bousculé (Leclercq et al., 1994). En effet, le zinc est utilisé dès les années 1850 : il est en général employé en combinaison avec de l’ardoise sur les toits à la Mansart, pour la partie du toit non visible depuis la rue. Son caractère de matériau à caractère industriel en limite pendant longtemps l’usage aux terrassons, cachés des regards, il finit néanmoins par s’imposer et à se substituer au plomb (déjà employé depuis plusieurs décennies) et à la tuile, grâce à ses qualités de fabrication et de mise en œuvre, mais aussi et surtout en raison de son faible poids, de sa résistance et de son coût. Les années passent et le rouge des toits parisiens s’estompe largement au profit du gris.

Les XXème et XXIème : entre modernité et préservation du paysage urbain 

Les formes des toits varient constamment, suivant les modes et les volontés d’homogénéisation du paysage. Du XVIIIème au XXème siècle, on sera donc passé d’un toit de pente à 45° à un toit dit à la Mansart avec une pente de 60 à 70° puis à un comble à l’impériale avec une courbure du toit qui se relèvera jusqu’au toit-terrasse. En effet, dès le début du XXème siècle, avec l’apparition du béton et le développement de l’étanchéité horizontale, les premières terrasses – généralement aménagées en jardin et lieu de loisir – apparaissent dans ce que les architectes appellent le « mouvement moderne ». A partir des années 1950 et avec l’envahissement progressif de ces terrasses par des appareils de ventilation mécanique, le gravier de protection de l’étanchéité est devenu un élément de toiture à part entière. Le décret de 1902 qui déverrouillait les contraintes haussmanniennes a été appliqué jusqu’au Plan d’Urbanisme Directeur (PUD) de 1967 qui lance un débat sur la ville verticale et élimine totalement la question du toit. En 1977, avec le remplacement du PUD par le Plan d’Occupation des Sols (POS), un haussmannisme tempéré est observé, mais aucun traité d’architecture ne tranche réellement entre les toits pentus et les toit-terrasses. Aujourd’hui, au début de XXIème siècle, le mot d’ordre en architecture est au respect du contexte urbain historique, y compris pour les toitures ; tout particulièrement pour les bâtiments situés en zone classée. En ce qui concerne les matériaux employés, la règle utilisée à Paris est celle de la « reconstruction à l’identique » ou du « retour à l’état d’origine ». Ainsi, la Ville de Paris, conseillée par l’Atelier Parisien d’URbanisme (APUR) cherche à adapter les règlements d’urbanisme aux lieux et cas particuliers (Waintrop, 1999). Sachant que les trois-quarts de Paris sont classés ou situés dans le périmètre d’un Monument Historique, la marge d’innovation dans les matériaux de couverture est assez faible. En outre, il apparaît que les préoccupations des architectes pour les matériaux sont avant tout d’ordre esthétique : il s’agit de trouver la meilleure adéquation possible entre formes, longueurs, largeurs et couleurs des éléments, pour aujourd’hui et pour demain. Le zinc continue donc d’intéresser pour son aspect changeant au cours du temps et selon la lumière (brillant, gris, bleu selon les éléments avec lesquels il est associé).

La pollution métallique des eaux pluviales urbaines 

Les Rejets Urbains de Temps de Pluie 

Le terme « Rejets Urbains de Temps de Pluie », noté dans la suite de ce document RUTP, regroupe tous les rejets se produisant, par temps de pluie, à l’interface du système d’assainissement d’une agglomération urbaine et du milieu récepteur (Chebbo et al., 1995), c’est-à-dire les rejets à l’exutoire des réseaux d’assainissement séparatifs (collecteurs strictement pluviaux), les surverses de collecteurs unitaires (déversoirs d’orage, by-pass de station d’épuration) et les rejets en aval des stations d’épuration. Ces rejets sont devenus de plus en plus importants, en lien avec l’imperméabilisation croissante des surfaces urbaines, qui augmente considérablement les volumes de ruissellement par temps de pluie. La qualité de ces RUTP n’a été prise en compte que depuis la fin des années 1960, période à partir de laquelle de nombreuses études y ont été consacrées, visant à évaluer l’importance des flux polluants apportés par ces rejets et à identifier les impacts sur les milieux récepteurs. Le CEREVE a mené depuis 1987 un grand nombre de recherches sur ces RUTP : leurs sources, quantités, impacts sur les milieux récepteurs et devenirs dans les réseaux d’assainissement, mettant en évidence tant l’importance de la contamination des RUTP par rapport à celle des eaux usées de temps sec, que la grande diversité des polluants détectés, parmi lesquels des métaux : le cadmium, le cuivre, le plomb et le zinc en particulier (Saget, 1994; Gromaire-Mertz, 1998; Rocher, 2003).

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
I. Les toitures métalliques à Paris – Repères historiques
I.1. De Lutèce au Paris du XVIIIème siècle : de la tégula à une toiture plus réglementée
I.2. La métamorphose de Paris : de la rigueur Haussmannienne à la souplesse toute relative du début du XXème siècle
I.3. Les XXème et XXIème : entre modernité et préservation du paysage urbain
II. La pollution métallique des eaux pluviales urbaines
II.1. Les Rejets Urbains de Temps de Pluie
II.2. Les sources de métaux dans les RUTP
II.3. Le contexte réglementaire actuel
III. Cadre de la thèse
III.1. Le programme de recherche OPUR
III.2. Le projet TOITEAU
IV. Objectifs de la thèse et plan du document
CHAPITRE 1.1. CONTAMINATION METALLIQUE DES EAUX URBAINES
I. Les métaux dans tous leurs états…
I.1. Les « métaux lourds » et les « éléments traces métalliques »
I.2. Toxicité des métaux
II. Circulation et sources des métaux au sein d’une agglomération, par temps sec et temps de pluie
II.1. Circulation et sources des métaux véhiculés dans les eaux de ruissellement
II.2. Les sources
II.2.1. Sources naturelles
II.2.2. Sources anthropiques
II.3. Le transport par les eaux de ruissellement
III. Caractérisation des métaux dans les eaux de ruissellement urbaines
III.1. Les toitures
III.1.1. Concentrations émises en fonction du type de toiture
III.1.2. Répartition entre les phases dissoute et particulaire
III.2. Les chaussées
III.3. Contribution de chaque source au ruissellement total
IV. Apports en rivière : quels impacts ?
IV.1. Cadre réglementaire
IV.2. Les apports métalliques en Seine
IV.2.1. Flux métalliques annuels déversés en Seine
IV.2.2. Niveaux de concentrations en métaux : Amont / Aval de Paris
IV.2.3. Enrichissement des sédiments en métaux
IV.3. Impacts des eaux de ruissellement de toitures sur les organismes aquatiques
IV.3.1. Quelques notions importantes
IV.3.2. Ruissellement de toiture : quelle spéciation des espèces métalliques ?
IV.3.3. Bilan des études écotoxicologiques menées sur les eaux de ruissellement de toitures
IV.3.4. Conclusions
CHAPITRE 1.2. CORROSION ET LESSIVAGE DES MATERIAUX DE TOITURES
I. Utilisation des matériaux métalliques en couverture
I.1. Généralités sur les toitures
I.2. L’utilisation des matériaux : étude de marché
I.2.1. Quels types de matériaux ?
I.2.2. Le marché des matériaux de couverture
I.3. Caractéristiques des matériaux métalliques de couverture
I.3.1. Composition des matériaux
I.3.2. Mise en œuvre
I.3.3. Coût et durée de vie
II. La corrosion atmosphérique
II.1. Définitions générales
II.1.1. Qu’est ce que la corrosion ?
II.1.2. La corrosion atmosphérique
II.2. Le contexte urbain : une atmosphère corrosive complexe
II.2.1. La ville : une concentration d’hommes et d’activités qui favorise la production de polluants
II.2.2. Quels polluants atmosphériques ?
II.2.3. Evolution des niveaux de contamination en Ile de France
II.3. Quelles solutions pour prévenir la corrosion atmosphérique?
III. Corrosion des matériaux de couverture : quels comportements ?
III.1. Evolutions des matériaux de couvertures soumis à la corrosion atmosphérique
III.1.1. Méthodes d’évaluation des processus de corrosion
III.1.2. Le zinc
III.1.3. Le cuivre
III.1.4. Le plomb
III.1.5. L’aluminium
III.1.6. Les aciers
III.2. Taux de corrosion mesurés
III.2.1. Des conditions d’exposition codifiées
III.2.2. Synthèse des données de corrosion des matériaux de toitures
IV. Le ruissellement sur les matériaux de couverture : mécanismes et processus
IV.1. Qu’est-ce que le ruissellement ?
IV.1.1. Définition
IV.1.2. Evaluation du ruissellement
IV.2. Quels processus et paramètres importants ?
IV.2.1. Evolution des taux de ruissellement dans le temps
IV.2.2. Caractéristiques du matériau
IV.2.3. Caractéristiques d’exposition
IV.3. Variabilité temporelle des taux de ruissellement
IV.3.1. A l’échelle évènementielle
IV.3.2. A l’échelle annuelle
IV.4. Conclusions
IV.5. Synthèse des données de ruissellement des matériaux de toitures
CONCLUSIONS GENERALE

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