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Digeste de la construction au Canada, 1977-03
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Rétrécissement des membranes bitumineuses
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 181F
Rétrécissement des membranes
bitumineuses
Publié à l'origine en mars l977 R. G. Turenne
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.
Le rétrécissement des étanchéités bitumineuses peut entraîner de sérieux problèmes. Les solins peuvent être déchirés, les contre solins métalliques déplacés, les blocages en bois mal fixés arrachés et la maçonnerie périphérique endommagée. Le retrait des étanchéités, cause fréquente des infiltrations d'eau dans le toit, semble à la hausse malgré la documentation technique sur le sujet. Les renseignements pertinents ne seraient donc pas parvenus aux autorités responsables de la conception, de la normalisation ou de la mise en oeuvre de ces couvertures. Le présent bulletin vous offre une synthèse du problème et vous suggère certaines méthodes pour éviter le rétrécissement des étanchéités bitumineuses.
Qu'est-ce que le rétrécissement d'une membrane?
Tous les matériaux réagissent aux variations de température en se contractant ou en se dilatant. Dans les matériaux solides, ce mouvement est habituellement réversible et la présence de joints de dilatation, de raccords souples ou de matériaux de remplissage compressibles dans la structure même du bâtiment ou dans l'un de ses éléments permet un certain jeu. Les étanchéités bitumineuses résistent relativement bien aux efforts de tension mais elles sont faibles en compression. Cette différence de comportement est accentuée par le système d'étanchéité lui-même, à cause de l'adhésif qui lie les différents matériaux entre eux. Lorsqu'ils sont mal collés, les contraintes de contraction créées dans l'étanchéité par une baisse de température peuvent être suffisamment fortes pour briser le lien entre certains éléments, permettant ainsi à l'étanchéité de se contracter. De plus, les efforts de contraction (vu la souplesse de l'étanchéité) peuvent se dissiper sans qu'il y ait dilatation; il y a alors retrait graduel de l'étanchéité. On peut donc définir le rétrécissement comme une réduction de dimensions de l'étanchéité produite par les changements cycliques de température par temps froid. Il se manifeste aux rives par un déplacement vers l'intérieur.
Principales causes de rétrécissement
L'étanchéité d'une toiture traditionnelle est exposée à une forte variation de température pouvant aller de 30 à 40°C au-dessus de la température de l'air ambiant le jour, à 4 à VC en
dessous de la température ambiante la nuit. Ces variations, qui peuvent atteindre plus de 55°C, créent des contraintes à l'intérieur de l'étanchéité et la font se contracter ou se dilater, ce qui constitue la principale cause de rétrécissement.
Afin de mieux comprendre le problème, il faut en premier lieu s'arrêter aux propriétés physiques d'une étanchéité multicouches et examiner le mode de construction d'une toiture traditionnelle. Le coefficient de dilatation thermique d'une étanchéité varie en fonction de la température et augmente à mesure que la température baisse. Le tableau I donne le coefficient de dilatation pour divers types d'étanchéité à des plages de températures différentes. Les coefficients des étanchéités composées de feutre organique et d'asphalte produiraient un retrait de 1.8 po (46 mm) dans une membrane non assujettie de 100 pi (30.48 m) de largeur exposée à une baisse de température de 33°C (de -1 à -34°C). En réalité, l'étanchéité n'est presque jamais totalement indépendante de son support parce qu'un système de toiture traditionnelle repose sur une adhérence uniforme de tous les éléments. Dans ces conditions, le retrait n'a lieu que s'il y a défaillance de l'adhésif et qu'il n'y a pas de fixation en périphérie.
Tableau I. Coefficient de dilatation thermique des étanchéités1
Genre d'étanchéité Coefficient de dilatation thermique par °F x 10-6 30 à 0°F 0 à -30°F L T L T
Feutre organique et brai de goudron 22.3 36.0 19.3 29.5 Feutre organique et asphalte 2.7 12.6 13.9 37.4 Feutre d'amiante et asphalte 4.8 18.1 19.5 37.5 Feutre de verre (Type 1) et asphalte 8.9 10.1 35.1 46.4 L Sens longitudinal des fibres de feutre
T Sens transversal des fibres de feutre
Les contraintes de tension sont créées dans l'étanchéité lorsqu'il y a une baisse rapide de température. Un rapport datant de quelques années indiquait qu'une étanchéité d'essai soumise en deux heures à une baisse de température de 61°C (de 21 à -40°C) subissait des contraintes de l'ordre de 20 et de 30 lb par pouce de largeur (2.26 à 3.4 N/m) à -18 et -23°C respectivement. Ces contraintes augmentaient à mesure que la température baissait. Ces valeurs n'ont pas tellement d'importance dans la mesure où les facteurs en jeu dans la réalité sont beaucoup plus nombreux, mais elles démontrent malgré tout l'existence de contraintes dont l'ordre de grandeur semble relié au genre de dommages observés dans certains bâtiments. D'autre part, des expériences démontrent que la résistance à la tension d'une étanchéité à 4 épaisseurs de feutre organique asphalté peut atteindre 240 lb par po de largeur (27 N/m) transversalement aux feutres, à -29°C. D'après ces données, les contraintes dues aux écarts de température sont inférieures à la résistance à la tension du matériau, ce qui signifie que l'étanchéité devrait être à l'abri de la fissuration si on ne tient compte d'aucun autre facteur.
Une étanchéité multicouches, formée de feutres et d'asphalte ou de goudron, a les propriétés viscoélastiques du bitume et ne se comporte pas élastiquement, sauf lorsqu'elle est chargée à grande vitesse. Aux taux de chargement rencontrés en service, un fluage plastique ou visqueux se produit lorsqu'une étanchéité assujettie aux rives est soumise à des contraintes de tension; si les éléments de retenue tiennent bon, la contrainte décroît jusqu'à ce que l'étanchéité se décontracte complètement. Cette propriété de fluage varie beaucoup avec la température (elle
est plus forte à des températures élevées) et, jusqu'à un certain point, avec la vitesse de chargement.
Comment une étanchéité peut-elle être efficace, compte tenu de ses caractéristiques de comportement et des conditions rigoureuses auxquelles elle est exposée? Les raisons sont nombreuses: 1) La viscoélasticité de l'étanchéité lui permet d'absorber les contraintes de tension sans se contracter. 2) La contrainte de rupture de l'étanchéité, même à des températures très basses, est de beaucoup supérieure aux contraintes qu'elle est appelée à supporter dans des conditions réelles. 3) Les contraintes qui pourraient s'accumuler avec le temps dans l'étanchéité se dissipent par fluage à froid. 4) L'étanchéité a d'habitude une résistance à la tension adéquate.
Fixation de l'étanchéité au gros oeuvre
La méthode de supporter et de fixer une couverture détermine, en grande partie son comportement. Une étanchéité qui n'est ni attachée à son support ni assujettie aux rives, peut se dilater et se contracter sans développer de contraintes, ces dernières n'apparaissant que sous l'effet d'une résistance quelconque. C'est en principe, le meilleur système mais il faudrait résoudre au préalable le problème des solins constamment mis à l'épreuve par une étanchéité dont les dimensions varient avec les conditions climatiques. En pratique, il faut assujettir l'étanchéité en adoptant une de deux méthodes.
La première méthode consiste à raccorder l'étanchéité en périphérie, de manière que les contraintes de tension se transmettent au platelage de toit par les éléments de fixation. Bien que cette méthode soit conseillée pour les étanchéités en matière synthétique à simple épaisseur, elle n'est pas utilisée au Canada pour les étanchéités multicouches traditionnelles. Pour protéger l'étanchéité contre les soulèvements dus au vent, il faut habituellement prévoir une adhérence par points au support ou une protection lourde.
Le seconde méthode, d'usage courant au Canada, repose sur l'adhérence uniforme de tous les composants du système de toiture, platelage compris. Les contraintes sont alors transmises de l'étanchéité au platelage par les éléments intermédiaires. Ces derniers - isolants, feutres, adhésifs - doivent avoir une résistance au cisaillement suffisamment élevée et le platelage doit offrir une bonne stabilité aux efforts latéraux. Cependant, l'adhérence totale de l'étanchéité n'est pas toujours réalisée ni même souhaitable. La plupart des couvertures alternent les surfaces indépendantes et les surfaces collées aux supports. Les contraintes exercées sur la partie de l'étanchéité sans adhérence ou presque sont transmises au platelage par l'intermédiaire des parties adhérentes, créant ainsi un plan de répartition des contraintes très complexes. Une telle alternance de surface adhérente et non adhérente constitue sans doute une des causes de fendillement, Surtout lorsqu'une partie à adhérence marginale cède entraînant une redistribution latérale brusque des contraintes dans l'étanchéité. Une adhérence uniforme est donc préférable pour les toitures traditionnelles, même si une adhérence totale au support n'est pas obligatoire. Une pratique courante consiste à clouer l'isolant sur un platelage en bois ou encore à raccorder la couverture à un platelage en acier au moyen de ruban adhésif ou à un platelage en béton, en appliquant l'adhésif par points, en bandes ou de façon continue sur tout le platelage. Toutes ces méthodes sont acceptables sous réserve qu'elles offrent une bonne résistance aux soulèvements dus au vent et au rétrécissement.
Le raccordement d'une étanchéité à un support stable et son assujettissement aux rives est une pratique éprouvée. Pendant des années, avant que la pratique d'installer l'isolant entre le platelage et l'étanchéité proprement dite se répande, les étanchéités étaient appliquées à la vadrouille directement sur les platelages en béton avec de très bons résultats. Il est vrai que les pertes de chaleur du bâtiment (si on n'installait pas d'isolant sous le platelage) protégeaient l'étanchéité contre les écarts de température trop accentués en hiver comme en été; on a également constaté que des étanchéités recouvrant des combles ventilés (ne bénéficiant donc pas des pertes de chaleur du bâtiment) donnaient de bons résultats. On peut en conclure qu'une étanchéité collée sur un support stable a un degré de viscoélasticité qui lui permet de s'adapter aux températures ambiantes sans se détériorer.
Même si le fait d'interposer un isolant entre le platelage et l'étanchéité expose presque toujours cette dernière à des variations de température considérables, il y a lieu de croire que d'autres facteurs comme l'instabilité du support isolant (due à une mauvaise adhérence, à une faible cohésion ou à des variations dimensionnelles causées par l'absorption d'humidité ou la température) peuvent entraîner certaines défaillances prématurées de l'étanchéité.
Cas de rétrécissement
Une étude d'un certain nombre de toits dont l'étanchéité avait subi un rétrécissement a révélé que les déplacements s'étaient produits dans l'un des deux plans suivants: à la surface de contact étanchéité - isolant ou au contact isolant - platelage. Dans quelques cas, le déplacement s'était produit dans les deux plans à la fois. Le premier type de déplacement se retrouvait, entre autres, dans les toitures où la feuille de base enduite de 33 lb avait été posée à sec (sans asphalte) sur un isolant en polystyrène. Les déplacements à la surface de contact de l'isolant et du platelage étaient dus à une mauvaise fixation de la couverture au platelage, par absence de clouage dans le cas des platelages en bois, par adhérence insuffisante dans les autres cas. Les platelages d'acier sont apparus particulièrement vulnérables à cause de l'irrégularité ou de la concavité des ailes formant le dessus du platelage ou à cause d'une mauvaise mise en oeuvre.
Dans tous les cas, la fixation périphérique était inadéquate à cause d'une mauvaise conception ou d'une mise en oeuvre incorrecte. A la lumière de ces faits, il apparaît que le rétrécissement ne se produit que s'il y a à la fois mauvaise adhérence et fixation insuffisante en périphérie. Par exemple, une mauvaise fixation aux rives peut être due au manque d'adhésif entre la membrane et le tasseau biseauté, à l'absence d'arrêts d'isolant en périmètre du toit, ou à une mauvaise fixation des blocages en bois au platelage. Dans bien des cas, les blocages en bois étaient fixés à des éléments de bâtiment incapables de résister aux efforts de tension exercés par l'étanchéité, à des briques de parement par exemple.
Une fixation périphérique adéquate aurait sans doute empêché le rétrécissement de se produire, mais il ne faut pas croire qu'elle peut remplacer l'adhérence uniforme au support. Elle fournit plutôt une protection supplémentaire en cas de défaillance de l'adhésif.
Recommandations
Afin d'éviter les problèmes de rétrécissement, il faudrait tenir compte des points suivants lors de la préparation des dessins et des devis ainsi qu'au moment de l'installation d'une toiture multicouches:
1. Tous les éléments de la toiture doivent être assujettis de façon solide et uniforme, qu'il s'agisse de fixer l'étanchéité à l'isolant, l'isolant au pare-vapeur ou le pare-vapeur au platelage.
2. Les arrêts d'isolant et les blocages en bois exigés en bordure du toit, aux joints de dilatation du bâtiment, aux ouvertures et aux parois verticales doivent être solidement fixés au platelage ou à un autre élément de charpente. L'étanchéité doit être correctement fixée à ces éléments en bois. Les blocages qui doivent servir à retenir l'étanchéité ne doivent pas être fixés aux briques de parement d'un mur creux ni à un mur-rideau. En plus d'offrir une faible résistance aux efforts de tension exercés par la membrane, ce genre de construction peut provoquer des mouvements différentiels entre le platelage étanchéisé et recouvert d'isolant et le mur (alternativement mouillé et sec, exposé à la chaleur puis au froid) et causer la défaillance de la membrane par fatigue. 3. Les panneaux isolants doivent être bien jointifs. Lorsque la membrane se rétrécit et qu'elle
entraîne les panneaux isolants, un espace peut se créer entre ces derniers et les blocages en bois disposés en périmètre de la couverture. Un meilleur ajustement lors de la mise en oeuvre limiterait d'avantage le déplacement de l'étanchéité. Comme une bonne adhérence entre deux épaisseurs d'isolant en polystyrène est difficile à réaliser en utilisant les moyens habituels, ce type d'isolant devrait être utilisé en épaisseur simple. Lorsque deux épaisseurs sont nécessaires, il faut utiliser une méthode et des adhésifs spéciaux pour coller solidement les deux épaisseurs.
4. Les feuilles enduites en usine ne devraient pas être installées à sec sur un isolant en polystyrène; elles devraient être recouvertes au préalable d'une couche d'asphalte ne dépassant pas, d'ordinaire, 10 à 15 lb par 100 pi² (4.5 à 6.8 kg par 9.3 m²).
5. Les couches d'asphalte liant les feutres imprégnés ne doivent pas peser beaucoup plus de 20 lb par 100 pi², sans quoi elles risquent de nuire à la tenue en service de l'étanchéité, car le poids additionnel d'asphalte facilite le glissement latéral des feutres superposés, amorcé par la dilatation et la contraction successives des feutres exposés alternativement à la chaleur et au froid et peut entraîner la formation de crêtes et favoriser le fendillement. L'asphalte doit être chauffé à sa température optimale pour s'étendre facilement. L'application à la vadrouille d'asphalte refroidi nécessite habituellement des quantités supérieures à celles recommandées pour une mise en oeuvre réussie et une bonne tenue en service.
6. Les joints de dilatation de membrane ne peuvent compenser efficacement les efforts de tension qui s'exercent dans l'étanchéité. Ces efforts sont le résultat de contraintes unitaires engendrées par des variations importantes de température et sont indépendantes de la dimension de l'étanchéité.
7. Une attention toute particulière doit être apportée à l'adhérence de l'isolant ou d'un parevapeur à un platelage en acier. Plusieurs recommandations de la Factory Mutual Engineering Corporation2
relativement aux soulèvements dus au vent sont également valables lorsqu'il s'agit de fixer un isolant ou un parevapeur de manière à éviter le rétrécissement.
Conclusion
Les contraintes exercées sur l'étanchéité sont dues à l'exposition à la température de l'air ambiant. L'interposition d'un isolant entre le platelage et l'étanchéité accentue non seulement les écarts de température auxquels l'étanchéité est soumise mais rend le support moins stable. Ces contraintes devraient être transmises de l'étanchéité au platelage par l'intermédiaire de l'isolant, en cisaillement, mais si c'est impossible à réaliser, un bon ancrage en périphérie donnera des résultats semblables. Lorsque ni l'adhérence ni la fixation périphérique ne suffisent à empêcher l'étanchéité de se contracter, cette dernière subit habituellement un rétrécissement car sa capacité de contraction est beaucoup plus élevée que sa capacité de dilatation. Le rétrécissement de l'étanchéité endommage souvent les solins ou la rive du toit, ce qui facilite les infiltrations d'eau. Les méthodes recommandées pour éviter le rétrécissement d'une étanchéité sont l'adhérence de tout le système de toiture ainsi que la fixation périphérique de l'étanchéité au platelage.
Références
1. Mathey, R. G. and W. C. Cullen. Preliminary Performance Criteria for Bituminous Membrane Roofing. National Bureau of Standards, Bldg. Sci. Ser. 55, 1974, 19 p.
