© Vincent Boishardy, 2020
Utilisation de revêtements économiques pour les routes
locales et les routes d’accès aux ressources
Mémoire
Vincent Boishardy
Maîtrise en génie civil - avec mémoire
Maître ès sciences (M. Sc.)
Utilisation des revêtements économiques pour les
routes locales et les routes d’accès aux ressources
Mémoire
Vincent BOISHARDY
Sous la direction de :
Guy Doré, directeur de recherche Jean-Pascal Bilodeau, codirecteur de recherche
iii
Résumé
Les revêtements économiques représentent des solutions avantageuses, principalement au niveau fonctionnel, pour les routes locales et les routes d’accès aux ressources. Cependant, il existe peu d’outils pour quantifier leurs effets afin d’appuyer les décisions techniques des gestionnaires.
L'objectif du projet est de déterminer qualitativement et quantitativement l'avantage socio-économique de la pose d'un revêtement économique sur une chaussée non revêtue. Les chaussées en question sont les routes à faibles volumes, qui représentent plus des trois quarts du réseau routier canadien. Trois types de revêtements économiques sont étudiés : traitement de surface, enrobé coulé à chaux et microrevêtement. L’augmentation de la rigidité octroyée par l’imperméabilisation de la fondation ainsi que la cohésion de surface est déterminée à la suite de cette étude.
La rigidité des fondations est mesurée grâce à des essais in situ réalisés avec le pénétromètre dynamique sous différentes conditions hydriques. Ainsi un allongement relatif de durée de vie est quantifié grâce à une modélisation des déformations par éléments finis avec le logiciel Géostudio couplée avec une méthode de prédiction analyste empirique d’endommagement.
Une analyse de ces résultats permet de conclure que la mise en place d’un enrobé économique à base d’émulsion bitumineuse, de 20 millimètres d’épaisseur, permet la diminution de la teneur en eau dans la fondation d’au moins 30% et permet l’augmentation de la durée de vie de la chaussée de 58 % à 75 % selon le type de charge. Une comparaison des coûts de cycle de vie est alors réalisée entre une chaussée revêtue de traitement de surface (couche de granulats enrobées d’émulsion bitumineuse) et une chaussée non revêtue en utilisant des scénarios d’entretien réalistes et cohérents avec le contexte québécois. En prenant en compte les coûts de construction, d’entretien et d’utilisation de ces chaussées : il est démontré que la mise en œuvre d’un revêtement se traduit par un gain financier. Ce gain dépend de beaucoup de paramètres qui sont détaillés.
Dans ce contexte d’une vaste province comme le Québec où les ressources sont éloignées, la course au développement impose des techniques efficaces et économiquement viables pour augmenter la mobilité des ressources humaines et matérielles. Cette étude montre que certains revêtements minces permettent d’assurer une rigidité structurelle aux chaussées, allongeant ainsi leur durée de vie tout en diminuant les coûts qui leur sont associés.
iv
Abstract
Economic pavements represent advantageous solutions, especially at the functional level, for local roads and access roads to resources. However, there are few tools to quantify their effects in order to support the technical decisions of managers.
The project’s objective is to determine qualitatively and quantitatively the socio-economic advantages of laying an economic pavement on an unpaved roadway. Roads in question are low-volume roads, which represent more than three quarters of Canada’s road network. Three types of economic coatings are studied: chip seal, hot mix asphalt and microsurfacing. The increase of the rigidity granted by the waterproofing of the foundation as well as the surface cohesion is determined as a result of this study. The rigidity of the foundations is measured by in situ tests carried out with the dynamic cone penetrometer under different water conditions. Thus, a relative elongation of a lifetime is quantified by finite element deformation modelling with GeoStudio software coupled with an empirical prediction analyst of damage method.
An analysis of these results makes it possible to conclude that the implementation of a bitumen emulsion based economic coating, 20 millimetres thick, allows the reduction of the water content in the foundation by at least 30% and increases the service life of the road from 58% to 75% depending on the type of load. A comparison of life-cycle costs is thus made between a pavement with a chip seal (layer of aggregates coated with bituminous emulsion) and an unpaved surface using realistic maintenance scenarios that are consistent with the Quebec context. Considering the construction’s costs, maintenance and use of these pavements: it is demonstrated that the implementation of a coating results in a financial gain. This gain depends on many parameters that are detailed.
In this context of a large Quebec province where resources are far away, the race for development imposes effective and economically viable techniques to increase the mobility of human and material resources. This study shows that certain thin coatings make it possible to ensure structural stiffness of pavements, thus prolonging their service life while reducing the associated costs.
v
Table des matières
Résumé ... iii
Abstract ... iv
Table des matières ... v
Liste des figures ... x
Liste des tableaux ... xvi
Dédicaces ... xix
Remerciements ... xx
Introduction ... 1
Contextualisation ... 1
Territoire et conditions climatiques québécoises ... 1
Réseau routier ... 2
Structure du document ... 4
1. Revue de littérature : Généralités ... 5
1.1
Route à faible volume ... 5
1.1.1
Définition ... 5
1.1.2
Mise en œuvre ... 6
1.2
Chaussée non revêtue ... 7
1.2.1
Généralités... 7
1.2.2
Problématique ... 8
2. Revue de littérature : Enrobés économiques ... 15
2.1
Généralités ... 15
2.1.1
Définition ... 15
vi
2.2
Revêtements économiques usuels ... 16
2.2.1
Enrobé coulé à chaud (Hot mix asphalt) ... 16
2.2.2
Traitement de surface (Chip seal) ... 18
2.2.3
Coulis bitumineux et microrevêtement (Slurry seal & microsurfacing) ... 21
2.2.4
Comparaison des revêtements économiques ... 23
2.3
Matériaux ... 25
2.3.1
Liant ... 25
2.3.2
Granulat ... 28
2.4
Mise en place ... 31
2.4.1
Bonnes pratiques selon le type de revêtement ... 31
2.4.2
Formulation des traitements surfaces ... 37
2.5
Détériorations ... 42
2.5.1
Détériorations selon le type de revêtement ... 43
2.5.2
Appréciation de la qualité ... 54
2.6
État de l’art des connaissances ... 59
2.6.1
Études des aspects mécaniques ... 59
2.6.2
Études des aspects socio-environnementaux ... 59
2.6.3
Analyses des coûts de cycles de vie des revêtements minces ... 61
2.6.4
Lacunes de la littérature ... 61
4. Méthodologie ... 62
4.1
Mesure de rigidité ... 62
4.2
Estimation des déformations ... 63
vii
5. Quantification expérimentale du bénéfice structural ... 66
5.1
Méthodologie ... 66
5.1.1
Présentation de la campagne ... 66
5.1.2
Pénétromètre dynamique ... 67
5.1.3
Teneur en eau et précipitations ... 69
5.1.4
Caractérisation des sols ... 69
5.2
Résultats ... 71
5.2.1
Teneur en eau ... 71
5.2.2
Résultats obtenus aux DCP ... 73
5.2.3
Teneur en eau et précipitation ... 86
6. Quantification du bénéfice structural par éléments finis ... 90
6.1
Hypothèses ... 90
6.1.1
Structure de la chaussée ... 90
6.1.2
Caractéristiques mécaniques des couches ... 91
6.1.3
Chargement ... 93
6.2
Résultats obtenus avec Géostudio ... 95
6.2.1
Réponse mécanique aux différentes sollicitations ... 95
6.2.2
Influence du revêtement ... 97
6.3
Durée de vie ...108
6.3.1
Méthode de calcul ... 108
6.3.2
Durée de vie d’une chaussée à faible volume ... 110
7. Analyse du coût de cycle de vie ... 118
viii
7.2
Coût d’entretien ...119
7.2.1
Scénario d’entretien ... 119
7.2.2
Durée du cycle d’analyse ... 120
7.2.3
Valeur actualisée nette (VAN) ... 120
7.2.4
Coût d’entretien cumulé actualisé ... 122
7.3
Coût d’utilisation ...123
7.3.1
Usure matérielle ... 123
7.3.2
Carburant ... 126
7.3.3
Coût salarial ... 127
7.3.4
Calcul des coûts d’utilisation ... 128
7.4
Coût non quantifiable ...130
7.4.1
Aspect écologique ... 130
7.4.2
Confort ... 138
7.4.3
Sécurité ... 140
Conclusion ... 142
Validité des travaux ...142
Pertinence de la méthodologie ... 142
Mesures ... 142
Modélisation de la rigidité des fondations ... 143
Modélisation des déformations ... 143
Durée de vie ... 144
Analyse des coûts de cycle de vie ... 144
ix
Synthèse ...145
Bibliographie ... 147 Annexes ... 154Annexes – Partie 3 ...154
Annexes – Partie 5 ...156
Annexes – Partie 6 ...159
Annexes – Partie 7 ...160
x
Liste des figures
Figure 1: Température annuelle moyenne basée sur les normales 1981-2010
(Gouvernement du Québec)... 1
Figure 2: Réseau routier québécois (Gouvernement du Québec, 2016) ... 2
Figure 3: Évolution de la longueur totale des chemins forestiers permanents au
Québec (4) ... 3
Figure 4: Coupe transversale de la structure classique d'une chaussée ... 6
Figure 5: Différentes surfaces de roulement pour les routes à faible trafic. ... 7
Figure 6: Chaussée non revêtue en milieu forestier ... 8
Figure 7: Influence de la teneur en eau sur les paramètres caractéristiques des graves
calcaires (10) ... 9
Figure 8: Différents modes d'orniérage (12) ... 11
Figure 9: Phénomène de tôle ondulée à la forêt Montmorency ... 12
Figure 10: Enrobé économique : traitement de surface (Trudeau, 2014) ... 15
Figure 11 : Texture de l'enrobé coulé à chaud (SERUL) ... 17
Figure 12: Texture de l'ECC en coupe (SERUL) ... 18
Figure 13: État du traitement de surface 1 an après la pose (bitume Québec) ... 19
Figure 14: Texture du traitement de surface (SERUL) ... 20
Figure 15: Texture du TS simple en coupe (SERUL) ... 20
Figure 16: Texture du microrevêtement (SERUL) ... 22
Figure 17: Texture du microrevêtement en coupe (SERUL) ... 22
Figure 18: Comparaison de l’action du trafic par rapport à la forme des granulats (30)
... 29
xi
Figure 19: Granulométrie recommandée pour un traitement de surface par l'ASTM
D7000 ... 29
Figure 20: Importance de la viscosité pour le liant d'imprégnation (SFERB) ... 32
Figure 21: Déroulement de la construction du tapis d’enrobé à chaud (17) ... 33
Figure 22: Compacteur pneumatique muni de jupes (Salti) ... 33
Figure 23: Disposition des gicleurs pour un bon épandage de liant (Pierre Langlois)
... 35
Figure 24: Pose de l'émulsion suivie du granulat (29) ... 35
Figure 25: Encastrement des granulats (30)... 36
Figure 26: Déroulement de l’application d’un coulis bitumineux (17) ... 36
Figure 27: Émulsion non rompue (gauche) (23), machine montée sur camion (milieu)
et machine autopropulsée (droite) (22) ... 37
Figure 28: Disposition recommandée des 3 ou 4 compacteurs ... 42
Figure 29: Ornière de fluage ... 43
Figure 30: Types de fissurations par fatigue ... 44
Figure 31: Ressuage au niveau du passage des roues (Engineering simplified) ... 48
Figure 32: Forte perte de granulats ... 48
Figure 33: Influence du temps de cure sur l'arrachement granulaire (36) ... 49
Figure 34: Relation entre le ressuage et l'arrachement granulaire (35) ... 49
Figure 35: Arrachement granulaire causé par l'oxydation (36)... 51
Figure 36: Mise en place du test du cercle de sable (38) ... 55
Figure 37: Comparaison des deux familles de revêtements économiques : ECC et ECF
(39) ... 55
xii
Figure 39: Schéma de la méthodologie du traitement des produits de la campagne
de mesures ... 63
Figure 40: Schéma explicatif des résultats recherchés après l'analyse par éléments
finis ... 64
Figure 41: Schéma de la méthodologie amenant à la détermination des durées de
vie des sections étudiées ... 64
Figure 42: Schéma récapitulatif de l'analyse des coûts de cycles de vie ... 65
Figure 43: Plan de situation du SERUL ... 67
Figure 44: Pointe de DCP (à gauche) et prise de mesure au pénétromètre (à droite)
... 68
Figure 45: Granulométrie des différentes fondations... 70
Figure 46: Granulométrie du sol d'infrastructure ... 71
Figure 47: Coupe simplifiée du SERUL avec emplacement des mesures ... 72
Figure 48: Mesures de DCP n°5 (08 août 2017) ... 74
Figure 49: Variation de l'indice de pénétration des fondations revêtues ... 76
Figure 50: Variation de l'indice de pénétration des fondations non revêtue ... 76
Figure 51: Module réversible des fondations en fonction de la teneur en eau –
modélisation linéaire ... 79
Figure 52: Prédiction du module réversible grâce à l'écart de la teneur en eau
mesurée et optimale ... 83
Figure 53: Module réversible de la fondation en fonction de la teneur en eau –
modèle MEPDG... 85
Figure 54: Prédiction de la teneur en eau dans la fondation de la section Ø ... 88
Figure 55: Prédiction de la teneur en eau pour la section α ... 88
Figure 56: Prédiction de la teneur en eau dans les fondations du 1er avril 2017 au 4
octobre 2017 ... 89
xiii
Figure 57: Structure de la chaussée revêtue d'enrobé coulé à froid ... 91
Figure 58: Influence de la température sur le module dynamique des enrobés
bitumineux ... 92
Figure 59: Camion 55t et camionnette utilisée pour l'étude (radio-canada.ca &
motortrend.ca) ... 93
Figure 60: Demi-essieu de camion 55t à gauche, de camionnette à droite (masse en
kg) ... 93
Figure 61: Répartition de la charge des véhicules considérés (kg) ... 94
Figure 62: Déformation dans la fondation (Mr=130 MPa) suite au passage d'un
camion et d'une camionnette ... 95
Figure 63: Déformations (mm/mm) dans le sol d'infrastructure suite au passage d'un
camion 55t ... 96
Figure 64: Influence du module dynamique d'un ECF sur la déformation au sommet
du sol d'infrastructure ... 98
Figure 65: Déformation au sommet du sol d'infrastructure pour chaque section sous
un essieu de camionnette ... 99
Figure 66: Déformation au sommet du sol d'infrastructure pour chaque section sous
un essieu de camion 55t ... 100
Figure 67: Déformation dans la fondation des sections ECF et Ø sous un demi-essieu
de camionnette ... 102
Figure 68: Déformation dans la fondation des sections ECF et Ø sous le demi-essieu
central d'un camion 55t ... 103
Figure 69: Déformation au sommet du sol d'infrastructure sous une camionnette
(haut) et sous un camion de 55t (bas) ... 104
Figure 70: Déformation verticale au sommet du sol d'infrastructure en fonction de
la teneur en eau (modèle linéaire) – Pc = 136 kPa ... 106
Figure 71: Déformation verticale au sommet du sol d'infrastructure en fonction de
la teneur en eau (modèle MEPDG) – Pc=136 kPa ... 107
xiv
Figure 72: Courbes de Wöhler mécaniste-empirique et de l'Asphalt Institute ... 110
Figure 73: Teneur en eau estimée (valeur maximale pour le printemps) ... 112
Figure 74: Teneur en eau semi-estimée ... 112
Figure 75: Teneur en eau non estimée ... 113
Figure 76: Durée de vie des trois chaussées étudiées pour un orniérage maximal de
50 mm ... 114
Figure 77: Augmentation de la durée de vie d'une chaussée procurée la pose d'un TS
selon les modèles étudiés ... 115
Figure 78: Augmentation relative de la durée de vie d'une route à faible volume
procuré par la pose d'un revêtement économique ... 116
Figure 79: Évolution des coûts d'entretien sur 40 ans, avec un cycle de 6 et 20 ans
pour les chaussées non revêtue et revêtue ... 122
Figure 80: Impact des chaussées non revêtues sur le coût d'utilisation des véhicules
(9) ... 125
Figure 81: Coût d'utilisation des véhicules total (56) ... 126
Figure 82: Augmentation de la consommation de carburant avec un matériel non lié
en fonction de la vitesse (58) ... 127
Figure 83: Coûts cumulés de l'entretien (CE) et de l'utilisation (CUV) de deux types
de chaussées ... 129
Figure 84: Coûts cumulés de l'entretien (CE), de l'utilisation (CUV) et salariaux (CS)
de deux types de chaussées ... 130
Figure 85: Poussière libérée par le passage d'un camion (Wikipédia) ... 135
Figure 86: Émission de GES (kg/t de CO
2 eq) pour la fabrication et la réalisation des
principales techniques routières (66) ... 136
xv
Figure 88: Népal : (gauche) Paysage avant la route - 2008 (droite) Paysage dénaturé
par une chaussée non revêtue - 2010 (Google Earth) ... 138
Figure 89: Traitement de surface simple (29) ... 154
Figure 90: Traitement de surface double (29) ... 154
Figure 91: Traitement de surface triple (29) ... 154
Figure 92: Racked-in seal (6)... 154
Figure 93: Cape seal (6) ... 154
Figure 94: Couches inversées (6) ... 155
Figure 95: Scellement en sandwich (6) ... 155
Figure 96: Validation de l'estimation de la teneur en eau (Traitement de surface)
... 156
Figure 97: Validation de l'estimation de la teneur en eau (Microrevêtement) ... 157
Figure 98: Validation de l'estimation de la teneur en eau (Enrobé coulé à chaud)157
Figure 99: Validation de l'estimation de la teneur en eau (sans revêtement)... 158
Figure 100: Déformations verticales au sommet du sol d'infrastructure en fonction
de la teneur en eau (modèles linéaire et MEPDG) – Pc=500 kPa ... 159
Figure 101: Dispersion verticale de particules fines en fonction de la distance à la
source (Pasquill-Gifford curves) ... 161
Figure 102 : Évolution des coûts d'entretien sur 45 ans, pour les chaussées non
revêtue et revêtue (P
camion≥ 20%) ... 162
xvi
Liste des tableaux
Tableau 1: Comparaison de différents types de revêtements économiques ... 24
Tableau 2: Classes d’enrobés utilisées au Québec (26) ... 25
Tableau 3: Conditions climatiques de pose des revêtements minces ... 32
Tableau 4: Facteur de circulation (31) ... 39
Tableau 5: Bitume résiduel dans les différentes émulsions (31) ... 39
Tableau 6: Surface de compactage horaire en fonction de la circulation et de la taille
des granulats (6) ... 41
Tableau 7: Détériorations liées à la mise en place des ECC en fonction des causes (32)
... 46
Tableau 8: Énumération des opérations d’entretien pour les revêtements
économiques (37) ... 53
Tableau 9: Seuils d’intervention au MTQ (m/km) ... 57
Tableau 10: Revue de littérature des aspects socio-environnementaux des chaussées
non revêtues ... 60
Tableau 11: Teneur en eau dans la fondation des différentes sections ... 73
Tableau 12: Synthèse des résultats obtenus au pénétromètre dynamique ... 75
Tableau 13: Valeurs des coefficients des droites IP=f(w) ... 77
Tableau 14: IPs maximaux préconisés par la méthode de Kleyn (44) ... 78
Tableau 15: Indices de pénétration dans les différentes couches de fondation de la
section Ø ... 78
Tableau 16: Formules de corrélation entre indice de pénétrabilité et module
réversible ... 78
Tableau 17: Paramètre du modèle du Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide
... 84
xvii
Tableau 18: Estimation de la teneur en eau dans la fondation avec la valeur des
précipitations ... 86
Tableau 19: Constitutions des 3 sections distinguées ... 91
Tableau 20: Récapitulatif des hypothèses de modélisation ... 94
Tableau 21: Influence du module dynamique d'un ECF sur la déformation au sommet
du sol d'infrastructure ... 97
Tableau 22: Déformation du sommet du sol d'infrastructure en fonction du module
réversible de la fondation... 101
Tableau 23: Équations des courbes de Wöhler d'une chaussée non revêtue (11) 109
Tableau 24: Paramètres pris en compte pour les calculs de durée de vie ... 111
Tableau 25: Scénario de l'entretien des deux sections étudiées pour l'ACCV ... 119
Tableau 26: Calcul de la VAN avec les scénarios d'entretien du Tableau 22 ... 121
Tableau 27: Décomposition du coût total (55) ... 123
Tableau 28: Influence du revêtement sur le coût d'exploitation d'un camion (55)
... 124
Tableau 29: Valeurs horaires des déplacements au Québec (devise de 2015) (56)
... 128
Tableau 30: Coût d'une hospitalisation causé par la pollution de l'air (devise ajournée
en dollar canadien à la date de la rédaction) ... 133
Tableau 31: Synthèse des chiffres disponibles quant aux accidents sur chaussées non
revêtues et revêtues ... 140
Tableau 32: Coût moyen des accidents selon la gravité (en CAD de 2015) ... 141
Tableau 33: Granulométrie recommandée pour l'ECC (AASHTO) ... 155
Tableau 34: Granulométrie des Types I, II et III pour les coulis bitumineux ... 155
Tableau 35: Coefficients des formules de prédictions de la teneur en eau dans les
fondations routières ... 158
xviii
Tableau 36: Coût des matériaux et des opérations pour l'entretien des traitements
de surface ... 160
Tableau 37: Hypothèses pour la comparaison du coût des cycles de vie ... 160
Tableau 38: Caractéristique du trafic considéré pour l'analyse des coûts ... 161
Tableau 39: Détails des coûts d'utilisation d'un kilomètre sur une chaussée revêtue
et non revêtue (en CAD de 2017) ... 162
xix
Dédicaces
xx
Remerciements
Tout d’abord, je souhaite remercier mon directeur de maîtrise le Dr. Guy Doré sans qui rien n’aurait été possible. La confiance qu’il m’a accordée m’a grandement stimulée. L’enseignement de qualité qu’il a dispensé ainsi que le temps passé à répondre à mes questionnements ont été d’une aide remarquable pour la réalisation de ce travail.
Je souhaite aussi remercier chaleureusement mon codirecteur de recherche le Dr. Jean-Pascal Bilodeau pour sa grande disponibilité, pour la pertinence de ses remarques et également pour son admirable rigueur dans le travail. Sa joie de vivre et son sens de l’humour ont permis de passer d’excellents moments au sein de la chaire de recherche.
Je tiens également à exprimer ma gratitude à M. Christian Juneau pour sa grande gentillesse et sa précieuse aide durant toute la campagne de mesure. Je tiens pareillement à remercier les stagiaires de la chaire i3c, Marielle Fauteux et William Goulet-Laporte qui m’ont permis de mener à bien les mesures in situ et en laboratoire.
Ensuite, je me dois de remercier M. Pierre-Serge Tremblay ainsi que M. Jean-Martin Croteau d'avoir gracieusement accepté de travailler avec moi et m’avoir donné des informations primordiales dans l’élaboration de cet écrit. Je veux aussi dire merci à Papa-Masseck Thiam pour ses nombreuses remarques pertinentes.
Finalement, j’adresse mes sincères remerciements ma mère et à mon père qui me soutiennent autant spirituellement que financièrement depuis le début de cette longue période correspondant aux études supérieures.
1
Introduction
Contextualisation
Territoire et conditions climatiques québécoises
Le Québec est l’une des plus grandes régions d’Amérique du Nord, avec une superficie de 1 667 712km². Par ailleurs, la population n’est que de 8 263 600 d’habitants, ce qui fait une densité de 6,4 hab./km² (1). Il est donc nécessaire d’avoir un réseau routier étendu, afin d’assurer la liaison entre les différentes régions éloignées et les centres urbains.
En plus du faible nombre de contribuables par kilomètre de route géré par la province, les conditions climatiques sont rigoureuses. La température moyenne annuelle de la province varie entre 4 et 5°C dans les zones densément peuplées et passe sous la barre du 0°C au nord de la région de Saguenay (voir Figure 1). En plus de ces températures basses, les écarts de températures, très néfastes aux infrastructures, peuvent atteindre 25°C en quelques heures. Les précipitations, composées de neige ou de pluie, peuvent atteindre 1000 mm/an. Finalement, le dégel survenant au printemps provoque une brusque et intense augmentation de la saturation des sols, ce qui accélère considérablement la dégradation des chaussées.
2
Réseau routier
Le réseau routier du Québec est constitué de 185 000 km (voir Figure 2). Le ministère en gère 31 000 km, constitués d’autoroutes, de routes nationales, de routes régionales, de routes collectrices, dont au moins 2 500 km sont des chemins d’accès aux ressources. Les municipalités gèrent 92 000 km de routes, rues et chemins locaux. Le reste du réseau est gouverné par d’autres ministères provinciaux ou fédéraux ou par des entreprises comme Hydro-Québec (2).
3
Les infrastructures routières les plus importantes se situent dans les zones peuplées, mais l’exploitation des ressources minières et forestières développe fortement le réseau dans le nord. En effet, il se construit chaque année entre 4 000 km et 5 000 km de chemin forestier permanents et d’opération (3). Ainsi, le nombre de chemins permanents augmente constamment comme le montre la Figure 3.
Figure 3: Évolution de la longueur totale des chemins forestiers permanents au Québec (4)
En regard de la rigueur climatique, des contraintes budgétaires et de la croissance du réseau routier, de nombreuses routes sont réalisées rapidement, avec une surface en graves.
Ces chaussées non revêtues posent de nombreux problèmes de durabilité, de sécurité et d’environnement. Elles sont souvent construites sans réelles études économiques et ne sont parfois pas les solutions les plus adaptées à la situation.
Cette étude a pour objectif de quantifier les avantages économiques, écologiques et sociaux que peut procurer la mise en place d’un type de revêtement, plus mince et moins coûteux que les matériaux utilisés habituellement au Québec.
Les différents impacts de la mise en place d’un revêtement économique sont interconnectés, l’objectif de cet écrit est de les étudiés comme tels. En effet les aspects sociaux sont le confort de roulement (vibration, poussière…), la sécurité des usagers, les dépenses liées à la circulation (consommation, entretien des véhicules). La consommation de carburant, la poussière, l’érosion de la fondation dans les cours d’eau sont des aspects écologiques qui sont étudiés ci-après, ils ont aussi un côté économique et social. Et finalement, l’apport mécanique procuré par un revêtement mince est étudié. Le revêtement permet la réduction de l’infiltration d’eau dans la structure de la chaussée augmentant ainsi sa rigidité et donc allongeant sa durée de vie. Cette longévité supplémentaire connue, l’avantage mécanique se traduit alors par un avantage
4
économique, qui, additionné à la diminution des coûts d’utilisation peut-être un atout très intéressant dans certains cas.
Structure du document
Cet écrit comporte 9 chapitres dont le contenu est résumé ci-dessous. • Chapitre 1 : Il fait état d’introduction contextualisant le sujet.
• Chapitre 2 : Une revue de littérature présente les routes à faibles volumes, les chaussées non revêtues et les problématiques qu’elles engendrent.
• Chapitre 3 : État de l’art qui décrit les différents enrobés économiques usuels, leur composition, leur mise en place ainsi que leurs mécanismes de dégradations.
• Chapitre 4 : Une méthodologie expliquant le mode opératoire de la recherche.
• Chapitre 5 : Présentation de la campagne de mesure, des résultats obtenus et du traitement de ceux-ci.
• Chapitre 6 : Présentation de la modélisation des déformations dans la structure de différentes chaussées par éléments finis utilisant les résultats du chapitre précédent. La présentation des calculs de durée de vie et les résultats sont aussi présentés dans ce chapitre.
• Chapitre 7 : Présentation de l’analyse des coûts de cycles de vie. La méthode utilisée, le descriptif des différents coûts étudié et un exemple de scénario y sont présentés.
• Chapitre 8 : Discussion revenant sur les différentes parties du document.
5
1. Revue de littérature : Généralités
1.1 Route à faible volume
1.1.1 Définition
Une route à faible volume (ou à faible trafic) se définit souvent par sa fréquentation, celle-ci se traduit par un débit journalier moyen annuel (DJMA) maximum. La définition varie selon les ouvrages et les régions. Le Ministère des Transports du Québec considère qu’une route est à faible volume quand elle supporte un débit de moins de 400 véhicules par jour. En France et aux Etats-Unis, certains auteurs considèrent une route à faible trafic si son DJMA est inférieur à 1500 voire 2000 (5), (6). En Colombie-Britannique ou en Alberta, la limite de DJMA est fixée à 200, alors que les gouvernements de l’Ontario ou Saskatchewan la fixent à 500 (7). La définition varie selon l'organisme et peut comprendre un nombre maximum de poids lourds ou d’essieux équivalents (8).
Les routes à faibles volumes sont aussi caractérisées par leurs fonctions, qui sont :
- Fournir un accès local aux terrains adjacents, propriétés, forêts, terres agricoles et industries, - Collecter le trafic local et le redistribuer vers les réseaux du niveau supérieur,
- Relier les villages entre eux et - Relier les villages aux centres.
Les routes à faibles volumes représentent environ 80% du réseau routier québécois, et 77 % à l’échelle canadienne, soit 800 000 km (7).
Au Québec, les chaussées d’accès aux ressources sont classées selon 5 classes (9):
- Chemin primaire - Chemin secondaire - Chemin tertiaire - Fourche été - Fourche hiver
Ces différentes classes permettent d’organiser le réseau et de cibler les opérations d’entretien. En effet un budget plus important est alloué aux chemins primaires et secondaires.
6
1.1.2
Mise en œuvre
1.1.2.1
Structure
La structure des routes à faibles volumes est relativement simple : elle est souvent constituée d’une couche de forme, généralement un remblai disposé sur le sol support, puis d’une fondation sur cette couche de forme. Cette couche de fondation est constituée de granulats, elle sert de couche d’assise et peut aussi, si absence de revêtement, servir de couche de roulement (Figure 4). L’épaisseur de cette fondation dépend de la rigidité du sol support, des conditions climatiques, de la durée de vie souhaitée, du budget disponible…
Figure 4: Coupe transversale de la structure classique d'une chaussée
1.1.2.2
Revêtement
De nombreuses options existent quant à la surface de roulement des routes à faibles volumes. Il est possible de laisser la surface gravelée, d’y apposer une couche d’anti-poussière, un enrobé coulé à froid ou un enrobé coulé à chaud (7). Le prix de construction et la durée de vie de ces surfaces sont croissants selon l’ordre énoncé, mais leur coût de maintenance est décroissant.
Ces différentes options sont montrées ci-après (voir Figure 5). Dans tous les cas, malgré que le trafic soit faible, il peut être très lourd et agressif dans les cas de chaussées d’accès aux ressources minières par exemple ; une bonne structure de route et un dimensionnement adéquat sont alors requis.
7
Figure 5: Différentes surfaces de roulement pour les routes à faible trafic.
L’objectif est ici de trouver le meilleur revêtement pour un projet donné, en accord avec le budget, la circulation et la localisation de la route. Il est souvent considéré qu’une chaussée avec un DJMA de plus de 50 pourrait être pavée (9), mais ceci dépend bien évidemment d’autres paramètres et principalement du niveau de service attendu.
1.2 Chaussée non revêtue
1.2.1 Généralités
Une route sans revêtement, ou non revêtue, ne présente pas de couche de surface pour protéger le corps de la chaussée contre les agents dégradants. La chaussée est alors composée uniquement de matériaux granulaires qui reposent sur un sol d’infrastructure, un exemple de l’allure d’une chaussée non revêtue est présenté Figure 6.
8
Figure 6: Chaussée non revêtue en milieu forestier
Les chaussées non revêtues sont des routes à faible volume, généralement situées en régions éloignées, ou hors des grands centres et permettent l’accès aux ressources. Leur surface n’est pas revêtue pour des raisons économiques, et ce malgré les lourdes charges qu’elles peuvent supporter et les nombreuses opérations d’entretiens qu’elles nécessitent. Au Canada, les routes non pavées représentent 60% du réseau, soit 626 700km (7).
La structure d’une chaussée non pavée est relativement simple et consiste en une ou plusieurs couches de matériaux granulaires sur un sol d’infrastructure. Les différentes couches peuvent servir de fondation, de sous-fondation ou de couche de roulement (Figure 4).
1.2.2 Problématique
Les chaussées non revêtues présentent l’avantage d’avoir une conception simple, avec un coût initial faible et une réalisation rapide. Par ailleurs, de nombreux problèmes se posent durant la durée de vie de la chaussée, celle-ci se dégrade rapidement et l’entretien est fréquent et inévitable.
9
1.2.2.1
Dégradations liées au climat
Impact de l’eau
L’eau est l’un des agents climatiques les plus nocifs aux infrastructures routières. L’impact est d’autant plus fort si l’eau peut s’infiltrer directement par la surface. Les détériorations classiques causées par l’augmentation de la saturation dans la structure des chaussées sont donc plus importantes dans le cas de chaussées non revêtues.
L’augmentation de la teneur en eau dans les couches granulaires et les sols fait diminuer la cohésion entre les particules. La chaussée perd alors en résistance et se déforme davantage lors du passage de véhicules. Des essais triaxiaux à chargements répétés ont été réalisés par des chercheurs des Ponts et Chaussées sur différents types de graves (10). Ces essais permettent d’évaluer la diminution d’un module caractéristique et l’augmentation des déformations permanentes avec l’augmentation de la teneur en eau (voir Figure 7).
Figure 7: Influence de la teneur en eau sur les paramètres caractéristiques des graves calcaires (10)
Le phénomène de diminution de la rigidité avec l’augmentation de teneur en eau est indéniable et présent pour les calcaires durs (a) comme tendres (b). Pour les graves issus de calcaire dur (a), une augmentation de la teneur en eau de 1,5% à 2,5% réduit le module caractéristique de plus de la moitié. Durant le dégel de printemps lorsque la glace fond, la chaussée non revêtue est alors sujette à la formation d’ornières, de planches à laver et de nids de poules (11).
L’impact des gouttes sur le sol lors de grosses pluies peut aussi déplacer les fines particules. Ceci impose un entretien de nivellement.
Impact du vent
Comme il n’y a pas de couche de surface, les granulats sont directement exposés aux vents. Les fines particules peuvent se déplacer sur de grandes distances, cela provoque des problèmes de poussière. Ces
10
fines particules sont très nocives pour la santé, la sécurité et l’environnement. Dépendamment de l’intensité, des gros granulats peuvent aussi se détacher, ceci s’appelle la saltation (11). Le vent entraîne alors des irrégularités en surface ainsi que l’abrasion des granulats.
La combinaison de l’eau et du vent entraîne de l’érosion, ce qui enlève la couche superficielle des sols et des roches et qui est aussi très nocif pour l’environnement.
Sel de déneigement
Contrairement aux chaussées revêtues, le sel de déglaçage éparpillé sur la voie durant les opérations d’entretien s’introduit dans la fondation lors du dégel. Le sel introduit modifie la granulométrie de la fondation : il augmente la teneur en fine de la fondation chaque printemps, ce qui augmente d’autant plus les effets néfastes de cette période.
Absence de compactage pendant la mise en œuvre
Le compactage de la couche supérieure des chaussées non revêtues durant leur mise en œuvre et lors du reprofilage d'une surface non revêtue n'est pas considéré aussi important que lors de la mise en place d’un revêtement. Ainsi, de nombreux kilomètres de chaussées à surface granulaire sont réalisés sans compactage : la densité de la fondation n’est alors pas optimum et la rigidité de celle-ci en est diminuée.
1.2.2.2
Dégradations liées au trafic
Contrairement à la plupart des chaussées, la chaussée non revêtue ne subit aucune dégradation liée aux phénomènes de fatigue comme les fissurations ou les cassures de la couche de roulement. Cela est dû au fait que les granulats ne sont pas liés.
Par ailleurs, l’orniérage (affaissement permanent localisé de la chaussée) est un problème inévitable. C’est souvent ce phénomène qui mène à la ruine de la chaussée. Sur une chaussée non revêtue, l’orniérage peut se caractériser par 4 modes de formations différents pouvant se cumuler (12). Ces modes sont les suivants. Mode 0 : Compression des granulats secs en surface, du a un mauvais compactage initial, ce type d’orniérage renforce la portance de la chaussée à ces endroits. Jusqu’à un certain niveau, le mode 0 peut être bénéfique à la structure de la route (voir Figure 8 (a)).
Mode 1 : Déplacement de matériaux granulaire en surface. Ce phénomène survient quand les granulats sont plus humides : le cisaillement des pneumatiques a plus d’importance. Une approche de Boussinesq prouve que les contraintes à l’origine du problème ne descendent qu’à une profondeur d’un tiers de largeur de roue, elles n’affectent pas la couche structurale et restent superficielles.
11
Ce type d’ornière est très présent dans les climats nordiques sensibles aux froids et pour limiter ces dégradations, il faut utiliser un matériau de meilleure qualité (voir Figure 8 (b)).
Mode 2 : Déformation de la couche de fondation (voir Figure 8 (c)). Ce problème survient après le mode 1 ou directement après le mode 0 si les granulats sont de qualité. Dans les régions avec un fort cycle de gel-dégel, ce phénomène est amplifié au printemps lorsque la fondation perd en portance à cause de l’excès d’eau.
Mode 3 : Dégradation des matériaux causée par l’abrasion ou par l’usure par frottement suite au passage d’un lourd trafic. Les observations sont les mêmes que le mode 0 (voir Figure 8 (a)).
Figure 8: Différents modes d'orniérage (12)
Le nombreux passage des véhicules provoque l’arrachement et le réarrangement progressif des granulats de la couche de roulement, ce qui crée :
- Des nids de poules (troue à la surface de roulement), - Des ravinements (fissures transversales ou longitudinales), - De la tôle ondulée (Figure 9),
- Une diminution de l’épaisseur de chaussée, plus connue sous le nom de « gravel loss » (1.2.2.3
12
Figure 9: Phénomène de tôle ondulée à la forêt Montmorency
Au Québec, ce qui engendre une forte dégradation des chaussées, en plus du transport lourd, sont les petits véhicules (tourismes, camionnettes et particulièrement les véhicules munis de remorque).
Ces phénomènes sont d’autant plus présents et accentués lorsqu’il y a de l’eau.
1.2.2.3
Phénomène de perte granulaire
La perte de granulat est l’un des phénomènes les plus coûteux. Une étude néo-zélandaise stipule que la perte de 1 mm d’épaisseur de granulat sur l’ensemble des routes gravelées du territoire (environ 36 000km non pavés (13)) entraîne un déficit de 154 000 m3 de matériau, équivalent à 4 600 000 $NZD, soit 4 366 000 $CAD (14).
Plusieurs méthodes existent pour estimer la perte de granulats. Une équation relativement simple a été déterminée grâce à la relation de Visser (1981) et à des travaux plus récents (15). La diminution de l’épaisseur de granulats dépend du trafic, de la taille et de la plasticité des granulats ainsi que des précipitations :
𝐺𝐿 = 𝐷 ∗ (𝐹1 ∗ 𝐴𝐷𝑇 + 𝐹2 ∗ 𝑀𝑀𝑃 + 𝐹3 ∗ 𝑃𝐹) Avec :
GL (Gravel Loss) Diminution d’épaisseur de granulats (mm)
13
ADT (Average Daily Traffic) Nombre moyen de véhicules par jours dans les deux directions MMP (Mean Monthly Precipitation) Précipitations mensuelles moyennes (mm)
PF (Plasticity Factor) Facteur de plasticité : 𝑃𝐹 = 𝑃075 ∗ 𝑃𝐼 PI (Plasticity Index) Indice de plasticité des granulats de surface (%) P075 Proportion de granulat passant le tamis de 0,075 mm (% massique) F1, F2 et F3 Coefficients à adapter selon le modèle
F1=-0,00985 F2=-0,02991 F3=-0,00583
De façon plus empirique : au Québec on considère une diminution d’épaisseur de la couche de roulement dû à la perte de gravier de 25 mm par an, on ajoute alors une surépaisseur de 100 mm (appelée « wearing course ») ne faisant pas partie de la conception structurale. Cette hypothèse considère donc un recours au rechargement granulaire tous les 4 à 5 ans (8).
1.2.2.4
Entretien
Les opérations d’entretien sur les chaussées non revêtues sont nécessaires et fréquentes. Au Québec, elles consistent majoritairement en nivellement et désherbage (saison sans gel), déneigement (s’il y a lieu) et rechargement granulaire. Si le budget le permet, un abat-poussière est appliqué fréquemment selon l’efficacité de celui-ci et du niveau de service voulu.
Les nivellements sont inévitables et sont réalisés en fonction du besoin. Le nivellement est l’opération consistant à replacer les granulats et redonner au profil de la chaussée sa forme originale. Cette opération permet aussi le reprofilage des accotements et talus. À titre d’exemple, un chemin d’accès forestier au Québec est nivelé environ chaque semaine par un professionnel.
Le désherbage consiste en l’entretien des accotements et comprend désherbage, fauchage et débroussaillage. Sa fréquence dépend de la végétation du secteur.
Le déneigement comprend la poussée de la neige et le sablage. Le sablage a lieu régulièrement mais celui-ci pose problème. En effet la chaussée n’étant pas revêtue, le sable se mêle directement à la couche de roulement et de fondation et fait augmenter la teneur en fine. Le sable inhumé sous la couche de roulement affaiblit la fondation et le sable resté en surface alimente la source de poussière, néfaste à la performance de la chaussée.
14
L’abat-poussière est un liquide palliatif appliqué sur la chaussée pour réduire la poussière s’échappant après le passage d’un véhicule ou du vent. Les abat-poussières les plus utilisés en Amérique du Nord sont l’eau, l’eau salée, les palliatifs non pétroliers (graisse animale, résines, huiles végétales...) et les fluides synthétiques provenant de la raffinerie du pétrole (16). Le calcium et le magnésium peuvent aussi être utilisés en guise d’abat-poussière.
Les abat-poussières sont méconnus des gestionnaires de chaussées non revêtues. Ainsi, un mauvais choix d’abat-poussière couplé à une mauvaise utilisation devient vite coûteux, et mène à la négligence.
Le rechargement granulaire est l’opération d’entretien la plus coûteuse et celle-ci permet de redonner à la chaussée la charge granulaire perdue pendant ses dernières années. Selon la perte granulaire subie par la route, les rechargements ont lieu tous les 4 à 7 ans (voir : 1.2.2.3 Phénomène de perte granulaire). En raison de la durée de vie réduite ainsi que la fréquence des opérations d’entretien des routes non revêtues, la mise en place d’un revêtement économique peut se révéler une solution très intéressante. Malgré son coût initial plus élevé, le revêtement mince peut avoir un avantage économique non négligeable, c’est l’objet de la suite de ce document.
15
2. Revue de littérature : Enrobés économiques
2.1 Généralités
2.1.1 Définition
L’enrobé économique se définit par rapport à son épaisseur de moins de 40 mm, qui ne procure pas significativement de bénéfice structural à la chaussée (17), en comparaison avec un enrobé coulé à chaux de plus de 4 cm d’épaisseur. La Figure 10 montre un type de revêtement économique.
Figure 10: Enrobé économique : traitement de surface (Trudeau, 2014)
L’utilisation des enrobés économiques a commencé dans les années 1920 (6). Aujourd’hui ils ont deux principales fonctions.
D’abord, ils sont utilisés pour la maintenance préventive de routes préalablement pavées. Ils permettent alors de maintenir une surface confortable et sécuritaire pendant toute la durée d’utilisation de la route et font ainsi diminuer les coûts d’entretien à long terme. Ils peuvent entre autres contribuer à restaurer des problèmes d’adhérence et à sceller une surface. Ce type d’entretien prévient du rabotage et de la remise en place d’une épaisse couche de revêtement classique.
Ensuite, sur les routes à faible volume, les enrobés économiques sont directement mis en place sur la couche de fondation gravillonnée. L’imperméabilisation et la qualité de la surface augmentent alors la durée de vie de la chaussée et diminuent les coûts de maintenance. Si les couches sous-jacentes le permettent, les revêtements minces permettent de supporter des charges lourdes. Cependant, en Amérique du Nord, c’est l’utilisation en entretien préventif des chaussées souples qui est prépondérante. Pourtant, son usage
16
sur les routes non revêtues est potentiellement bénéfique et se développe même dans certaines régions froides (Alaska, Yukon, Nouveau-Brunswick...).
2.1.2 Avantages généraux
Les avantages de placer ce type de revêtement sur la couche granulaire d’une route à faible volume sont multiples. Même si, à priori, il n’apporte pas de rigidité structurale directe, le revêtement économique offre (18) :
• Une imperméabilisation isolant les couches sous-jacentes de l’eau et des dégâts qu’elle occasionne,
• Un drainage efficace qui permet d’évacuer l’eau vers les bordures, • Une rugosité suffisante permettant d’éviter les dérapages,
• Une cohésion de surface liant les matériaux de surface, • Un abat-poussière performant,
• Une couche de roulement confortable et agréable à l’œil
• Une protection contre l’implantation de végétation pour les routes moins entretenues.
Pour ce qui est des routes préalablement pavées, en plus des avantages cités ci-dessus toujours valables, la mise en place d’une couche mince dans une logique de cycle de maintenance préventive permet de garder une surface de roulement confortable et sécuritaire. La durée de vie d’un revêtement économique est plus faible que celle d’un béton bitumineux classique, mais son prix est lui aussi plus faible. Si le revêtement mince est appliqué aux bons moments, celui-ci procure à la chaussée un coût moindre à la fin de la durée de sa vie utile. En effet, la pose régulière et méthodique de couches minces sur la chaussée permet d’éviter le grattage et l’apparition de dégâts dont la réparation générale est coûteuse.
Certains revêtements peuvent provenir de recyclage, ils constituent alors une solution durable et économique. Le recyclage de ces matériaux se fait à froid ou à chaud, la méthode la plus écologique étant le recyclage à froid (19).
2.2 Revêtements économiques usuels
2.2.1 Enrobé coulé à chaud (Hot mix asphalt)
Les tapis d’enrobé coulés à chaud (ECC), ou béton bitumineux, se posent à haute température (plus de détails sont disponibles dans le Tableau 1). Ils se composent de granulats enrobés d’un mince film de bitume et sont souvent apposés en combinaison avec un agent d’adhésion pour améliorer la liaison avec la couche inférieure. Ces revêtements sont très souvent utilisés en Amérique du Nord et constituent la grande majorité
17
des revêtements de chaussées flexibles, elles qui représentent plus de 85% du réseau géré par le MTQ. L’aspect de la surface d’un enrobé bitumineux coulé à chaud est disponible Figure 11 et Figure 12, ces photographies ont été réalisées sur le Site Expérimental Routier de l’Université Laval (SERUL).
Ils doivent avoir une épaisseur de moins de 40 mm pour faire partie des revêtements minces. Si la couche fait moins de 25 mm, le tapis d’enrobé est qualifié d’ultramince (17). Une coupe du revêtement est proposée au lecteur à la Figure 12 pour apprécier la texture interne d’un ECC.
La durée de vie d’un tapis d’enrobé à chaud est d’environ 20 ans.
Figure 11 : Texture de l'enrobé coulé à chaud (SERUL)
La texture d’un revêtement est primordiale, car c’est elle qui permet l’adhérence entre les pneus et la chaussée.
18
Figure 12: Texture de l'ECC en coupe (SERUL)
L’enrobé bitumineux présenté Figure 11 et Figure 12 est épais de 5 cm, il est à la limite des enrobés minces, ses caractéristiques en sont donc proches. Son étude reste pertinente, car c’est un revêtement bien connu et il permet de faire des comparaisons.
2.2.2 Traitement de surface (Chip seal)
Un traitement de surface (TS) se compose d’une ou plusieurs couches de liant hydraulique (émulsion bitumineuse) auxquelles sont incorporés des granulats (voir Figure 13). Ce revêtement est le plus couramment utilisé comme revêtement économique.
Les granulats fournissent une certaine rugosité à la chaussée, nécessaire pour empêcher les dérapages, tandis que le liant permet aux granulats de rester en place, assure une imperméabilité et supprime la poussière.
19
Figure 13: État du traitement de surface 1 an après la pose (bitume Québec)
L’espérance de vie d’un traitement de surface simple est de 5 ans, alors qu’un TS double a une durée de vie de 10 ans, ce qui correspond aux attentes pour un enrobé conventionnel. Certains revêtements minces ont même été mis en service plus de 20 ans (20). Celui qui est étudié dans cette étude à 10 ans, sa texture en surface et en coupe sont présentées Figure 14 et Figure 15. Dans l’analyse des coûts de cycles de vie de ce travail, la durée de vie d’un traitement de surface double vaut entre 8 et 12 ans (voir Tableau 25).
20
Figure 14: Texture du traitement de surface (SERUL)
Figure 15: Texture du TS simple en coupe (SERUL)
Le traitement de surface est le revêtement économique le plus utilisé. Dans la pratique, il est plus souvent utilisé en double couche (ou bicouche).
Il existe de nombreux types de traitements de surface (visible en annexe de la Figure 89 à la Figure 95). En premier lieu, les TS peuvent être apposés en couche simple, double ou triple. Une couche représente une épaisseur d’émulsion liant une épaisseur de granulats. La résistance du revêtement augmente avec son épaisseur. Il existe également des solutions plus originales, telles que le « racked-in seal », qui est constitué d’une couche simple, recouverte par des granulats plus petits que ceux de la première couche, ces granulats
21
vont se loger dans les vides de celle-ci. Dans le même état d’esprit : le « cape seal » est une méthode sud-africaine consistant en une couche de TS classique avec une taille de granulats légèrement supérieure (≥1,9 cm) recouverte de granulats très fins. D’autre part, la technique des couches inversées, comme son nom l’indique, est une double couche de TS où les granulats les plus petits sont déposés en premier, et les plus gros en deuxième. Cette technique est principalement utilisée par les Australiens pour entretenir des routes subissant du ressuage. Enfin, le scellement en sandwich correspond à une couche de liant comprise entre deux couches de granulats.
Les enduits de scellements constituent les revêtements les plus fins. Ils peuvent s’apparenter aux TS par leur composition et mise en place. Il existe le type « Fog seal » qui n’est autre qu’une couche d’émulsion de bitume ou de bitume fluidifié disposée sur la surface. Il peut être complémentaire à un TS préalablement réalisé ; ce traitement enrobe les granulats de surface, ce qui améliore leur rétention. Il permet ainsi de ralentir considérablement le problème de l’arrachement granulaire (voir Détérioration des traitements de
surface). Pour une protection supplémentaire, l’enduit de scellement peut être recouvert de sable. Il est
alors de type « Sand seal ». La mise en place d’un enduit de scellement augmente la durée de vie d’une chaussée de 2 à 3 ans (21).
2.2.3 Coulis bitumineux et microrevêtement (Slurry seal &
microsurfacing)
Les coulis bitumineux, utilisés depuis 1960 (22) sont des mélanges d’émulsion bitumineuse, de granulats fins à haute densité, de charge minérale, d’eau et d’autres adjuvants. La grande différence entre ceux-ci et les traitements de surface provient du moment où l’émulsion bitumineuse et les granulats sont mélangés : pour un traitement de surface, les granulats sont apposés sur le liant qui a été épandu sur le sol, tandis que pour un coulis bitumineux, ils sont mélangés avant l’application. La texture du coulis et du TS est donc différente (voir Figure 14 et Figure 16). L’utilisation de revêtement de type coulis bitumineux en Amérique du Nord est axée sur la restauration de la qualité d’une chaussée revêtue, et sur la maintenance préventive, l’utilisation de ces revêtements sur chaussée gravelée n’est pas encore coutume (22).
Pour une application sur route gravelée, l’épaisseur du coulis bitumineux devrait être de 4 mm, ce qui correspond au diamètre de la plus grosse particule (17).
22
Figure 16: Texture du microrevêtement (SERUL)
En 1990, les microrevêtements, un nouveau type de coulis bitumineux d’une épaisseur plus élevée (de l’ordre de 10 mm) ont été proposés. Un microrevêtement est un coulis bitumineux avec des matériaux de meilleure qualité. Pour un microrevêtement, la résistance de la substance minérale est plus élevée et le liant consiste en une émulsion de bitume modifiée par des polymères. Pour les traitements de surface, l’émulsion bitumineuse est cationique ou anionique, mais elle ne peut être que cationique pour les microrevêtements. Pour ces raisons, les microrevêtements ont une durée de vie supérieure aux coulis bitumineux communs, et ils permettent une ouverture à la circulation plus rapide (23).
23
L’épaisseur du microrevêtement est plus élevée que celle d’un coulis bitumineux, les microrevêtements sont plus efficaces pour ce type de chaussées.
L’espérance de vie utile d’un coulis bitumineux commun est de l’ordre de 4 à 6 ans, et s’étend à 8 ans pour un microrevêtement (22).
24
Tableau 1: Comparaison de différents types de revêtements économiques Type de
revêtement Spécificité Épaisseur (mm) Température de pose (°C) Avantages Inconvénients Durée de vie Prix
Enrobé coulé à chaud
Enrobé chaud 10 à 40 160 à 205
- Libère rapidement la route après la pose,
- Recouvre très bien les granulats : très peu de perte de matériaux,
- Procure une surface douce,
- Limite les opérations d’entretiens après la mise en place,
- Dure dans le temps
- Dépose en épaisseur variable possible.
- Consomme beaucoup d'énergie,
- Demande une grande rigueur de surveillance (humidité des granulats, teneur en fines), - Peut causer des problèmes environnementaux, ce
qui restreint la période de pose, - Est moins sécuritaire pour les travailleurs, - Est coûteux.
+++ $$$
Enrobé tiède 10 à 40 100 à 120 +++ $$$
Traitement de
surface - 5 à 35 55 à 85
- Respecte l'environnement en regard de la faible dépense énergétique - Est peu contraignant pour le choix des
granulats (tout type de granulats, humides),
- Peut être placé par temps frais, - Résiste aux pluies arrivant tôt après la
pose.
- A des conditions de stockage contraignantes (longue durée, température basse),
- Impose une rigoureuse surveillance de la température de surface. ++ $$ Coulis bitumineux Coulis bitumineux simple 4 40
- Respecte l'environnement en regard de la faible dépense énergétique, - Est peu contraignant pour le choix des
granulats (tout type de granulats, sec ou humide),
- Peut être placé par temps frais, - Résiste aux pluies arrivant tôt après la
pose,
- Dépose en épaisseur variable possible.
- Possède un faible squelette minéral,
- A de contraignantes conditions de stockage (pas trop long ou trop froid),
- Impose une rigoureuse surveillance de la
température de surface. + $
Microrevêtement 10 à 20
- Respecte l'environnement en regard de la faible dépense énergétique, - Possède une haute résistance (par
rapport aux coulis simples), - A un Rendement élevé, - Peut être placé par temps frais, - Dépose en épaisseur variable possible.
- A de contraignantes conditions de stockage (pas trop long ou trop froid),
- Impose une rigoureuse surveillance de la température de surface.
25
2.3 Matériaux
En général, il faut tester les matériaux avant leur mise en place. Il y a de nombreuses normes existantes à ce sujet, comme celles de l’AASHTO. Les différents matériaux doivent être choisis ensemble pour assurer une bonne cohésion. Un revêtement se compose essentiellement d’une base granulaire assemblée grâce à un liant. La qualité du revêtement est directement liée à la qualité des matériaux, et à la durée de vie de la structure.
2.3.1 Liant
Chaque liant étudié ici provient de la distillation du pétrole. Il serait intéressant d’observer les solutions alternatives, plus naturelles, mais ceci n’est pas l’objet de cette étude.
2.3.1.1
Bitume (ECC)
Le liant utilisé pour les enrobés coulé chaud ou tiède est le bitume. Le bitume est un dérivé du pétrole se trouvant à l’état naturel ou provenant de raffinage.
Ces enrobés sont définis par la taille de leurs granulats : grenus ou semi-grenus (24). En général, un taux résiduel de bitume de 0,60 kg/m2 est utilisé sur les surfaces granulaires (25).
Les enrobés tièdes sont de plus en plus présents dans les projets de pavage (20% des projets d’enrobés (24)). Comme ils sont fabriqués et transportés à une température moins haute que les ECC, ils sont plus écologiques et moins nocifs pour les travailleurs. Par ailleurs, à cause de leur faible température, ils requièrent des additifs tels que de la zéolite, des émulsions ou de la cire pour augmenter leur viscosité et faciliter leur mise en place. Au Québec les classes de bitume les plus utilisées sont les suivantes (voir Tableau 2) :
Tableau 2: Classes d’enrobés utilisées au Québec (26)
PG 52-34 PG 52-40 PG 58-28 PG 58-24 PG 58-40 PG 64-28 PG 64-34 PG 70-28 PG 70-34
26
Le bitume utilisé pour les enrobés peut être modifié par l’ajout de substance améliorant ses caractéristiques. Ces substances sont généralement des polymères (comme du latex), cela permet :
- De réduire la température de pose, ce qui améliore l’adhésion à la couche sous-jacente ainsi qu’entre les granulats,
- D’améliorer la flexibilité,
- D’allonger la durée de vie du traitement de surface, - D’augmenter les propriétés de liaison du liant, - De diminuer sa susceptibilité à la température et - D’ouvrir plus rapidement la route à la circulation.
L’intégration de morceaux de caoutchoucs dans le bitume permet d’augmenter l’adhésion du liant aux granulats ainsi que de diminuer le bruit de roulement. Le bitume se comporte alors comme un élastomère. (27)
Il est aussi possible de rajouter des agents d’adhésion permettant d’améliorer les propriétés de cohésions du bitume aux granulats. Des agents antidérapants, qui s’ajoutent aussi bien au bitume qu’au pré-revêtement. De la chaux hydratée peut aussi être ajoutée au bitume pour améliorer l’adhésion de celui-ci, ainsi que sa résistance à l’oxydation (28).
Le choix du liant est alors très grand. Il est important de rappeler que l’objectif est d’optimiser les coûts de construction, mais aussi les coûts d’entretien et la durée de vie. Il reste un grand nombre d’études possibles sur cette question d’optimisation de coût.
2.3.1.2
Émulsion de bitume (ECF)
Pour les enrobés coulés à froid, le liant est une émulsion bitumineuse. L’émulsion bitumineuse est définie comme un système hétérogène à deux ou plusieurs phases liquides dont une première doit être liquide continue (dans la très grande majorité une solution aqueuse – 30% à 45%) et une deuxième doit être dispersée dans la première sous forme de fines gouttelettes (bitume – 55% à 70%). Le mécanisme d’homogénéisation s’appelle la rupture. Celle-ci correspond au moment où la solution devient liante. Cette rupture peut être plus ou moins rapide, l’objectif étant qu’elle se produise au bon moment (sur le sol, au contact avec les granulats).
Le système étant thermodynamiquement instable, il est nécessaire d’utiliser un agent tensio-actif (0,2% à 3%) pour assurer la stabilité.
27
Les tensio-actifs anioniques ont été les premiers utilisés et sont généralement des acides gras saponifiés. Le radical lipophile (celui qui se fixe aux particules de bitume) possède une extrémité hydrophile ainsi qu’une charge négative. Les tensio-actifs cationiques sont plus récents et sont principalement des amines grasses salifiées. Le radical lipophile confère une polarité positive aux particules de bitume.
Au Québec, les émulsions les plus utilisées pour les traitements de surface sont les SS-1 (Slow Setting), RS-1 (Rapid Setting) et CRS-1 (Cationique Rapid Setting). Pour les coulis bitumineux, sont utilisés : SS-1h, CSS-1h ou CQS1-h (type prédominant). Le chiffre est l’indice de viscosité, 1 indique qu’il est faible. En général, il est appliqué un taux de 0,9 à 1,7 l/m2 selon la surface (voir la partie Taux de liant).
Il existe des émulsions à haute flottabilité, utiles pour une surface poussiéreuse ou des granulats sales ou ayant trop de fines. Une émulsion à haute flottabilité, celle qui passe le test de flottabilité comme le AASHTO T50 ou le ASTM D139 (6), est considérée dans cette catégorie. Ce genre d’émulsion s’utilise sur des surfaces ayant déjà une fine couche de bitume et empêche alors l’arrachement de celle-ci ou alors comme enduit de scellement, pour s’infiltrer profondément dans les vides granulaires.
La sélection de liant se fait en fonction du climat (température de l’air et de surface) lors de la construction ainsi que du type de granulat utilisé (6). Par exemple, lorsque la température de l’air est basse avec une forte humidité ambiante, une émulsion est souvent la meilleure option.
L’émulsion bitumineuse peut être modifiée à l’aide de polymères (généralement du latex), ce qui permet d’améliorer ses qualités de longévité et de faciliter sa mise en place.
2.3.1.3
Bitume fluidifié (ECF)
Le bitume fluidifié, utilisé aux mêmes fins que l’émulsion de bitume, est un bitume ordinaire dont la viscosité a été diminuée grâce à un solvant (type kérosène) volatil. Ce type de liant est de moins en moins utilisé du fait de son agressivité environnementale. Il est d’ailleurs prohibé d’utiliser ce liant entre le 1er mai et le 1er octobre au Québec.
