Les propriétés des revêtements lamellaires bitumineux

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Digeste de la construction au Canada, 1967-11

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Les propriétés des revêtements lamellaires bitumineux

Digeste de la Construction au Canada

Division des recherches en construction, Conseil national de

recherches Canada

CBD 74F

Les propriétés des revêtements

lamellaires bitumineux

P.M. Jones et G.K. Garden

Veuillez noter

Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.

Une des fonctions importantes de l'enveloppe protectrice d'un bâtiment concerne la prévention des infiltrations d'eau. On emploie souvent des revêtements d'étanchéité sur les toits ou dans les fondements pour satisfaire à ces exigences. Les revêtements multicouches imperméables à base de bitume sont les plus employés; on les fabrique en combinant de l'asphalte ou du brai de houille avec des cartons-feutres, des nattes ou des tissus de fibres organiques ou inorganiques. Leur popularité est due principalement aux qualités d'imperméabilité et d'adhésivité du bitume qui les imprègne, à leur disponibilité, à leur faible prix et à leur facilité d'installation.

Les qualités d'imperméabilisation des revêtements multicouches bitumés dépend de la continuité du feuil de bitume. On y incorpore normalement un matériau en feuille (le carton-feutre) pour éviter là rupture du feuil de bitume ou son épanchement. Les cartons-feutres accroissent la résistance du feuil et lui donnent la possibilité de recouvrir des solutions de continuité, mais ils sont aussi à l'origine d'un certain nombre de ruptures. Un revêtement multicouche bitumé agit comme un seul élément composite, mais son comportement est gouverné par les propriétés des matériaux constitutifs, la surface à laquelle il adhère et le milieu dans lequel il est utilisé.

Propriétés du bitume

Le bitume est un matériau qui agit comme un fluide visqueux à certaines températures et comme un solide élastique aux températures plus basses; on l'a employé en construction depuis des siècles en raison de ses qualités d'imperméabilité et d'adhésivité. On connaît bien ses faiblesses grâce à une longue expérience, mais on a acquis une meilleure compréhension des facteurs influençant son efficience par la recherche scientifique. Le CBD 38F étudie les matériaux bitumineux et le présent Digeste ne traitera que des propriétés des revêtements multicouches bitumés de couverture.

Les propriétés imperméabilisantes du bitume tirent partiellement leur origine de l'immouillabilité de sa surface, mais surtout de sa non-porosité. Bien que les bitumes puissent parfois absorber de l'eau, ce phénomène se produit sur une échelle très limitée et n'a que peu d'importance. Pour que le bitume agisse comme un écran imperméable, il faut qu'il en existe un feuil continu sans aucune solution de continuité, petit trou ou fissure. Si cette continuité existe, le feuil peut n'avoir qu'une épaisseur de 0.005 po. et être efficace; cependant la détérioration du bitume et d'autres questions pratiques obligent à utiliser un feuil beaucoup plus épais.

L'adhésivité du bitume à une certaine surface dépend tant de la nature de cette dernière que de l'état du bitume. On doit diminuer sa viscosité par le chauffage ou l'addition d'un solvant convenable de façon à faciliter la réalisation d'un contact étroit avec les subjectiles. On peut ainsi obtenir une bonne adhésivité du bitume fluidifié à la plupart des surfaces, à condition que ces dernières soient propres et sèches; le métal et le béton nécessitent l'application d'une couche d'accrochage. Même quand la couche de bitume est fermement en place, l'adhésivité peut être diminuée ou supprimée par la migration de l'eau vers l'interface entre bitume et subjectile.

La cohésion et les caractéristiques de souplesse des bitumes varient considérablement en fonction de la température et des contraintes. Le bitume se comporte comme un solide visqueux et élastique et sa déformation dépend du degré de contrainte appliquée et de la température régnante. Aux températures ambiantes élevées, le bitume se comporte comme un liquide; à des températures plus basses, il se comporte comme un solide élastique. Comme il s'agit d'un matériau au comportement soit d'un solide, soit d'un liquide, toutes les propriétés mécaniques, telles que le rapport charge/déformation, découlent du taux de déformation et de la température. Sa dilatation thermique varie également avec la température; elle s'accroît aux basses températures.

La détérioration, qui entraîne la perte des qualités propres au bitume, se produit généralement sous forme de durcissement. Le résultat qui en découle consiste en une diminution de l'adhésivité et de la souplesse et une élévation du point d'amollissement et du coefficient de dilatation thermique. Le durcissement d'un bitume entraîne une réduction de ses possibilités de subir des déformations sans se fissurer. La nature exacte de ce phénomène de détérioration n'est pas complètement connue, mais on sait que l'oxydation causée par la lumière en est un facteur primordial, et qu'elle est maximale à haute température et sous le rayonnement solaire. Les autres facteurs contribuant au durcissement du bitume sont l'action de l'eau de pluie et des produits dissous de la pollution atmosphérique, l'attaque des micro-organismes, et les modifications internes de la structure du matériau.

Nombre de caractéristiques indésirables des bitumes peuvent être modifiées par l'addition de produits de composition spéciale. Un certain nombre de produits d'addition améliorent les qualités d'adhésivité du bitume, même au cas où le subjectile serait mouillé, et lui conservent son adhérence après mouillement de l'interface subjectile/bitume. Les produits anti-oxydants ralentissent le durcissement dû aux modifications chimiques et structurales du bitume causées par l'oxydation. Certains polymères ajoutés au bitume l'empêchent de trop s'amollir et de s'étaler aux hautes températures, tout en lui gardant une certaine plasticité par temps froid. Ces moyens d'améliorer le comportement du bitume, bien qu'ils ajoutent aux frais généraux, ont des avantages techniques aussi bien qu'économiques, particulièrement quand le revêtement multicouche bitumé doit être recouvert de matériaux de surfaçage coûteux, ou dissimulé en sous-sol.

Propriétés des matériaux d'armature

Les armatures sont employées pour stabiliser le feuil de bitume par la constitution d'un revêtement multicouche bitumé, en vue de lui donner la résistance nécessaire pour parer aux irrégularités du subjectile et pour distribuer les contraintes locales sur une grande surface. Plusieurs couches d'armature sont généralement utilisées dans le but d'obtenir une résistance suffisante du revêtement multicouche et pour qu'une petite défaillance d'un feuil de bitume soit annulée par les autres, de façon qu'il ne se produise pas de rupture du revêtement

multicouche. Bien qu'un seul feuil de bitume puisse être tout à fait imperméable, la superposition de plusieurs couches ou épaisseurs dans un revêtement multicouche (voir le CBD 24F) constitue une couverture économique en raison du faible coût des matériaux de base. Cependant une seule couche en bon état est préférable à plusieurs couches mal exécutées. Les cartons-feutres organiques constitués de fibres de bois et d'une faible proportion de chiffre sont les matériaux d'armature les plus généralement utilisés. Les feutres d'amiante, les nattes de fibre de verre, les tissus de verre, de coton et de jute sont aussi très employés. Les cartons-feutres organiques et les cartons-feutres d'amiante sont fabriqués selon les méthodes utilisées dans les papeteries, qui entraînent une orientation des fibres parallèlement à la plus grande dimension des feuilles, causant ainsi une différence des propriétés de ces dernières selon leur orientation. Les tissus, toutefois, n'ont pas ces caractéristiques de façon aussi accusée. Il est indispensable que le feuil de bitume adhère fortement à son armature, et on imprègne généralement les matériaux d'armature d'une couche d'accrochage en bitume chaud à l'usine. L'imprégnation au bitume diminue également l'absorption en eau des cartons-feutres, mais comme ils ne sont pas saturés, ils absorbent un peu d'humidité et ne sont pas imperméables à la vapeur. Les couches de bitume appliquées sur les cartons-feutres imprégnés réduisent encore la perméabilité à la vapeur et accroissent la résistance à la pénétration de l'humidité.

Même s'ils sont saturés, les cartons-feutres peuvent absorber et retenir l'eau jusqu'à 80 pour cent de leur propre poids. En absorbant l'humidité, ils s'étendent jusqu'à 2 pour cent parallèlement aux fibres et jusqu'à 1.5 pour cent perpendiculairement à ces dernières. La proportion d'eau absorbée et l'expansion varient d'un matériau à l'autre et selon le degré de saturation du matériau. On doit aussi savoir que lors de leur séchage les cartons-feutres se rétrécissent dans certains cas plus qu'ils ne se sont étendus précédemment. Les fibres organiques exposées directement à l'air sont attaquées par les moisissures et les mycètes et même par les racines des végétaux supérieurs.

Les propriétés mécaniques des cartons-feutres saturés de bitume sont celles de matériaux anisotropes visqueux et élastiques. Ils possèdent une plus forte résistance à la rupture par traction et un plus faible allongement à la rupture parallèlement aux fibres que perpendiculairement à ces dernières, mais les valeurs dépendent de la température et de la rapidité de la déformation.

Efficience d'un revêtement bitume multicouche

On utilise les revêtements multicouches bitumés pour empêcher le passage de l'eau et de la vapeur, mais ils sont eux-mêmes détériorés par l'humidité. Une diminution de la liaison entre le bitume et le carton-feutre de même qu'entre le revêtement et son subjectile peut être causée par l'accumulation de l'humidité. Les variations de contenu hygrométrique des cartons-feutres entraîneront leur expansion et leur rétrécissement, non seulement dans l'ensemble de la couverture, mais aussi localement. Quand le carton-feutre se trouvant en dessous d'un revêtement multicouche n'est pas imprégné de bitume, comme il arrive souvent en dessus des joints d'isolement, les variations locales de dimensions du carton-feutre causées par l'absorption d'humidité entraîneront la formation d'une crête dans le revêtement multicouche. Il en découlera un étalement du bitume provenant des rampes externes de la crête, et des possibilités de défaillance mécanique du revêtement multicouche. Des boursouflures peuvent aussi se produire dans ce dernier en raison de l'accroissement de la pression de la vapeur provenant de l'échauffement de l'eau retenue entre revêtement et subjectile ou entre les feuils constitutifs, d'autant que la présence d'humidité réduit l'adhésivité du bitume.

Il est nécessaire d'établir un feuil de bitume continu sur les deux faces d'un revêtement si l'on veut éviter les dégâts causés par l'humidité, et en raison des difficultés rencontrées pour l'établissement de ce feuil entre revêtement et subjectile, il faut employer un feutre imprégné de bitume comme base. Il est cependant tout aussi important de réaliser avec soin l'agencement des feuils constituant le revêtement multicouche. On doit s'assurer que les feuils de bitume sont continus, que les feutres ont une bonne adhérence, qu'ils sont sans solution de continuité ni ride, et qu'il ne se trouve aucune humidité entre les couches.

Les variations de température affectent aussi l'efficience des revêtements lamellaires. Une température élevée favorise la détérioration des bitumes, et cause bien entendu une dilatation et un ramollissement des matériaux (voyez le CBD 70F). Aux basses températures, le coefficient de dilatation est assez important et le revêtement est cassant, et il ne peut supporter de contrainte importante. La dilatation thermique des revêtements bitumineux est particulièrement digne d'intérêt, car elle dépend de la température, des matériaux utilisés, et de l'orientation des fibres constitutives. Le tableau I donne un aperçu de ces variations.

Tableau I. Coefficients de dilatation thermique des revêtements bitumés pour une gamme de température allant de -30°F à +30°F

Type de Revêtement

Multicouche LongitudinalSens TransversalSens asphalte et feuil organique 11 × 10-6 21 × 10-6 asphalte et feuil d'amiante 8 × 10-6 20 × 10-6 asphalte et natte de fibre de verre 18 × 10-6 26 × 10-6 goudron et feuil organique 19 × 10-6 29 × 10-6

Un feuil bitumineux se fendille quand on lui impose des déformations dépassant ses capacités d'adaptation. Les contraintes produisant des déformations peuvent provenir des variations de température, du rétrécissement de vieillissement et des modifications du degré d'humidité du matériau, et du comportement du subjectile sur lequel il est appliqué. L'adhérence à un subjectile rigide peut répartir uniformément les contraintes dans toute l'étendue du revêtement, mais toute inégalité de déplacement du subjectile aux joints ou aux fissures entraîne de grands risques de déformations localement importantes et de fendillement.

La capacité d'un revêtement à s'accommoder de déformations sans qu'il se produise de rupture dépend du type de matériau constitutif, de la température et de la rapidité avec laquelle la déformation se produit. Les graphiques de la figure 1, calculés pour une vitesse de déformation de 1.1 pour cent par minute, indiquent que des ruptures par déformation se produisent tant parallèlement que perpendiculairement à la direction des fibres pour divers revêtements multicouches à différentes températures.

Figure 1. Effets de la température et de l'orientation des fibres sur les déformations de rupture des revêtements lamellaires bitumés.

Conclusion

Dans le but de réaliser des revêtements multicouches bitumés imperméables et durables, le maître d'oeuvre doit prendre en considération les caractéristiques et le comportement tant du

bitume que de son armature, la nature et le comportement du subjectile sur lequel le revêtement est appliqué, son exposition et les caractéristiques physiques de l'environnement. Le revêtement multicouche possède certaines qualités précieuses, mais le maître d'oeuvre doit l'établir de façon à le protéger des divers agents de détérioration, ou tout au moins à en tenir compte. La protection d'un revêtement contre le rayonnement solaire (CBD 65F) prolonge fortement sa durée utile, ainsi que l'établissement d'un système de drainage efficace et la prévention de l'humidité interne. Dans certains cas un programme d'entretien régulier permettra d'éviter une défaillance du revêtement d'étanchéité. La conception et l'exécution du revêtement multicouche sont par conséquent d'importance fondamentale pour son efficacité.