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Digeste de la construction au Canada, 1980-11-01
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Étanchéités multicouches de toitures : considérations pratiques
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction. Conseil national de
recherches Canada
CBD-211-F
Étanchéités multicouches de toitures : considérations
pratiques
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.
Publié à l'origine en novembre 1980. R. G. Turenne
Les bitumes et les feutres, combinés pour former un complexe d'étanchéité multicouche, sont utilisés depuis longtemps pour imperméabiliser les toits plats ou à faible pente. S'il est bien entretenu, le complexe d'étanchéité se comporte habituellement de façon satisfaisante et, bien que sa durabilité soit difficile à établir, on estime généralement sa longévité à quelque 20 ans. Toutefois, certaines de ces toitures subissent des désordres très tôt après leur installation. On a donné plusieurs raisons pour expliquer les détériorations prématurées, que de nombreuses personnes considèrent comme un phénomène récent. Pourtant, tous les désordres que l'on observe sur les toitures de nos jours, comme le plissement, la fissuration, le rétrécissement ou le cloquage, sont connus depuis longtemps, ce qui signifie peut-être que la qualité de la
conception et de la réalisation joue un rôle important dans la détérioration prématurée de l'étanchéité multicouche des toitures.
Les aspects de conception et de réalisation relatifs à l'adhérence et à la fixation aux rives ont été étudiés dans les Digests181Fet 202F. Les effets de l'humidité sur les étanchéités
multicouches ont été considérés par Laalyl, et l'effet du cycle chauffage et refroidissement par
Handegord et Solvason2. Le présent Digest est consacré aux deux matériaux, les bitumes et les
feutres, utilisés dans l'installation des étanchéités multicouches. Bitume
L'industrie de la couverture n'utilise que deux bitumes: le brai de goudron de houille et l'asphalte. Le brai de goudron de houille est un sous-produit de la cokéfaction du charbon; l'asphalte est le résidu oxydé de la distillation du pétrole brut. Les sources, les préparations et les propriétés de ces produits ont été décrites dans leCBD 38F3.
Dans une étanchéité multicouche, les bitumes ont deux fonctions: ils servent d'adhésif, en liant les feutres entre eux, et ils constituent, sous la forme d'une couche finale, le principal élément de l'étanchéité.
Plusieurs propriétés liées à la température peuvent influencer la performance des bitumes. Ce sont: le point de ramollissement, la température limite de soufflage, le point d'éclair et la température d'utilisation.
Point de ramollissement - Le point de ramollissement est la température à laquelle un bitume
donné se ramollit. Le point de ramollissement du brai de goudron de houille se situe généralement entre 60 et 68°C, de sorte qu'il est utilisable pour les toits plats ou presque plats. Le point de ramollissement de l'asphalte résiduel ou de distillation doit habituellement
être relevé par oxydation par soufflage avant de pouvoir servir pour les couvertures. Ce
processus permet d'obtenir des asphaltes ayant un éventail de points de ramollissement donné dans le tableau ci-dessous de l'Association canadienne de normalisation.
Bitumes Point de ramollissemen (°C) min. - max. Pente recommandée Asphalte, type 1 60-65,5 0 à 1/16 Asphalte, type 2 74-79,5 1/16 à 1/8 Asphalte, type 3 88-96 plus de 1/8 Brai de goudron de houille 60-68 0 à 1/25
Température limite de soufflage - On effectue l'oxydation en insufflant de petites bulles d'air
dans de l'asphalte résiduel de distillation préchauffé à 160°C. L'oxygène réagit avec l'asphalte pour former des asphaltènes (hydrocarbures oxydés). Au fur et à mesure que la réaction avance, la taille et le nombre des molécules d'asphaltène augmentent, accroissant la viscosité de l'asphalte et, par conséquent, son point de ramollissement. Cette réaction chimique produit de la chaleur qui fait monter encore plus la température de l'asphalte; on limite cette hausse de température habituellement par refroidissement par évaporation. La température maximale que peut supporter l'asphalte est appelée la température limite de soufflage (environ 250°C pour l'asphalte de type 1 et 260°C pour celui de type 3).
Les bitumes doivent être chauffés à des températures élevées pour assurer leur ouvrabilité et leur adhérence aux feutres. Chauffer de l'asphalte oxydé dans un récipient fermé (citerne ou bouilloire) au-dessus de sa température limite de soufflage peut abaisser son point de ramollissement et favoriser le glissement des feutres. La surchauffe de l'asphalte dans une bouilloire ouverte conduit par contre à un durcissement par volatilisation, ce qui diminue sa souplesse, ses qualités d'adhérence et sa résistance au vieillissement. La perte de qualité provoquée par la surchauffe dépend de la température atteinte et de la durée pendant laquelle cette surchauffe a été maintenue.
Le brai de goudron de houille ne doit pas être chauffé à plus de 205°C, car une surchauffe prolongée provoque la distillation de certains produits volatils et conduit à un produit plus dur.
Point d'éclair - Chauffé à une température supérieure à son point d'éclair, un asphalte
s'enflamme au contact d'une flamme. Bien que, pour la plupart des asphaltes, la différence entre la température limite de soufflage et le point d'éclair soit assez grande (entre 50 et 60°C), il arrive que cette différence ne soit que de 10 à 15°C.
Le point d'éclair du brai de goudron de houille n'est que de 120°C. Il faut donc faire attention sur les chantiers de construction, car il est toujours chauffé au-dessus de cette température.
Température d'utilisation - A basse température l'asphalte est cassant, à la température
ambiante il est viscoélastique et aux hautes températures il coule comme un liquide. La viscosité idéale pour étendre l'asphalte à la vadrouille à raison de 1 kg/m² est de 125 x 10 -6m²/s. Comme la température à laquelle un asphalte atteint cette viscosité varie avec le type
de produit et son origine, il n'y a pas une température commune à tous les asphaltes. La température à laquelle un asphalte atteint sa viscosité optimale s'appelle la température équi-visqueuse (TEV).
Comme il est plus facile de travailler dans une certaine gamme de températures, on a fixé un éventail de températures d'utilisation qui correspond à la température équi-visqueuse (TEV) ±L 15°C. Ces limites conduisent à une utilisation d'asphalte comprise entre 0,8 et 1,2 kg/m² Si on
utilise une technique convenable d'application. Pour un asphalte de type 1, l'éventail de températures d'utilisation pourrait être 180 à 210°C; et pour un asphalte de type 3, 210 à 240°C. Toutefois, lors de l'obtention de ces températures il faut éviter de surchauffer. Pour cela, par temps froid notamment, il faudra peut-être utiliser des conduites et des récipients de transport calorifugés, de même qu'une chaudière auxiliaire de chauffage près du point
d'utilisation pour respecter la limite qu'impose la température de soufflage.
Pour le brai de goudron de houille on recommande habituellement une température d'utilisation de 190°C, un minimum de 165°C étant encore acceptable dans certaines conditions. Comme le brai de goudron de houille est 23% plus lourd que l'asphalte, on recommande d'en utiliser 1,25 kg/m².
Feutres
Pour les étanchéités multicouches on utilise habituellement deux sortes de feutres: les feutres bitumés et les feutres enduits. Les feutres bitumés sont constitués principalement de fibres organiques ou minérales (amiante), enchevêtrées pour former un feutre et saturées d'asphalte ou de brai de goudron de houille (feutres organiques seulement); ces feutres sont perforés pour permettre à l'air qui pourrait autrement être emprisonné entre celui-ci et la couche d'asphalte de s'échapper. Les feutres enduits sont des feutres bitumés sur lesquels on a appliqué, généralement des deux côtés, un enduit d'asphalte à haut point de ramollissement qui contient un stabilisant minéral. Les feutres enduits sont souvent utilisés comme premier pli d'une étanchéité multicouche du fait que l'enduit protège le feutre au-dessus des joints de l'isolant rigide. Lorsqu'on utilise uniquement des feutres bitumés, on n'a pas cette protection car l'espace entre les panneaux d'isolants peut laisser passer l'asphalte chaud, exposant les fibres à l'absorption d'humidité s'il y en a dans le complexe, ou s'il s'en infiltre une fois la toiture terminée.
Les feutres bitumés ont une texture lâche et le bitume chaud peut pénétrer dans l'espace entre les fibres, ce qui garantit une bonne adhérence entre les feutres et le bitume. Comme ces feutres absorbent l'humidité (et que l'humidité nuit à l'adhérence), ils doivent être protégés contre les intempéries sur le chantier.
L'adhérence entre les feutres enduits et l'asphalte chaud se manifeste à l'interface. Pour obtenir une bonne adhérence, l'asphalte doit être employé à sa température d'application et la surface enduite doit être exempte d'humidité, etc.
Les feutres des étanchéités multicouches sont destinés à fournir une base uniforme pour la couche finale de bitume et pour donner à l'étanchéité la résistance nécessaire pour supporter les contraintes thermiques, les petits mouvements de la structure et le passage épisodique de quelques personnes. Les feutres organiques peuvent perdre une bonne partie de leur résistance lorsqu'ils sont saturés d'eau. Il faut donc éviter que l'eau forme des flaques sur la toiture en prévoyant une pente vers un avaloir de toit; les solins doivent être bien conçus de façon à protéger toutes les rives de la couverture. L'installation doit être conforme aux normes établies et la couverture ne doit pas être endommagée par les autres corps de métier une fois qu'elle est terminée.
Étanchéité
Une étanchéité multicouche présente une construction différente selon qu'on la regarde dans la direction longitudinale ou la direction transversale des feutres (figure 1). Une section
longitudinale montre habituellement 3 ou 4 feutres continus superposés, séparés par une mince couche de bitume. Une section transversale, par contre, montre un certain nombre de feutres étroits; se superposant sur les 2/3 ou les ¾ de leur largeur et collés les uns aux autres par une mince couche de bitume. Les contraintes de traction dans l'étanchéité, dans la direction
longitudinale, sont donc annulées par la résistance des feutres continus; dans la direction transversale les contraintes sont transférées d'un feutre à l'autre par l'adhésif (bitume). Par conséquent, le type, la qualité d'adhérence et la quantité de bitume sont des facteurs critiques
dans la direction transversale, et c'est ce qui explique que les désordres comme le plissement et la fissuration se produisent généralement dans la direction longitudinale.
Figure 1. Sections d'une étanchéité à 4 plis
Adhérence - Lorsque l'asphalte est étendu à la vadrouille à raison de 1 kg/m² et à la
température appropriée, il mouille et pénètre la surface d'un feutre n° 15, formant une mince couche continue de colle entre les feutres. Si l'on n'utilise pas suffisamment de bitume la mince couche pourrait être discontinue. L'adhérence sera alors plus faible et favorisera la formation des boursouflures. Par contre, si l'on utilise trop de bitume la couche de colle sera trop épaisse et pourra modifier le comportement de l'étanchéité.
Plissement - Si les couches de bitume sont trop épaisses, particulièrement avec les asphaltes à
bas point de ramollissement, il peut se produire un glissement des feutres l'un par rapport à l'autre pendant les vagues de temps chaud et ceci peut contribuer au plissement. Comme les plissements se forment parallèlement à la direction longitudinale des feutres et exigent 6 à 10 mm de membrane, tout ce qui peut causer l'élargissement et le mouvement d'une membrane (et donc un pli) doit être considéré comme une source de plissements. La qualité d'asphalte n'est qu'un facteur, il y en a d'autres: le réchauffement et le refroidissement cyclique de la membrane, les joints dans l'isolant rigide supportant la membrane, et le manque d'adhérence. Pendant la saison chaude, la température maximale d'une couverture multicouche peut
dépasser le point de ramollissement de l'asphalte utilisé. Une membrane se dilate sous l'action de la chaleur; si son mouvement est entravé dans le plan horizontal, l'essentiel de la dilatation va se faire dans le plan vertical (épaississement de l'étanchéité). Si l'adhérence de l'étanchéité à son support est mauvaise (ou s'il y a trop de bitume) il peut aussi y avoir dilatation dans le plan horizontal et l'étanchéité se plissera alors au-dessus des discontinuités dans le support (p. ex. aux joints de l'isolant).
Lorsque commence le cycle de refroidissement, les contraintes dans l'étanchéité qui étaient de compression deviennent de traction et, en raison du chevauchement des feutres dans la direction transversale, les contraintes dans des feutres adjacents peuvent être de sens opposés. Si les contraintes de traction dans les feutres sont inférieures à la résistance de la liaison entre les feutres, l'élément va reprendre sa position originale et la déformation va disparaître. Par contre, si les feutres sont liés entre eux par une épaisse couche d'asphalte à bas point de ramollissement, il peut y avoir un écoulement laminaire entre ces feutres qui empêchera la disparition du plissement. La croissance du plissement se poursuivra tant que le cycle quotidien de réchauffement et de refroidissement se poursuit, causant successivement la dilatation de l'étanchéité puis des contraintes de traction dans les feutres.
Les étanchéités multicouches installées par temps froid sont susceptibles à ce type de problème du fait que la baisse rapide de la température de l'asphalte entraîne souvent des surépaisseurs d'asphalte entre les feutres et une mauvaise adhérence de la membrane à son support. Les plissements se manifesteront alors au printemps lorsque les températures de l'étanchéité atteignent ou dépassent le point de ramollissement de l'asphalte. Des essais en laboratoire sur une membrane qui s'était plissée vis-à-vis chaque joint du support d'isolant ont montré que la quantité moyenne d'asphalte était de l'ordre de 1,75 kg/m².
L'augmentation de la quantité d'asphalte entre les feutres peut avoir d'autres effets néfastes sur l'étanchéité, p. ex., des essais ont révélé que les contraintes peuvent être beaucoup plus importantes par temps froid4. Cette augmentation peut aussi rendre la membrane plus
Glissement - Le glissement des feutres sur les toits en pente et le cloquage entre les feutres
sur les toits plats sont un des problèmes potentiels de l'utilisation d'une feuille enduite. Même au taux recommandé de 1 kg/m², la couche collante entre une feuille enduite et un feutre no 15 est habituellement plus épaisse que la normale du fait que l'asphalte ne pénètre pas dans la feuille enduite. La construction par étapes, nécessaire pour installer une feuille enduite suivie de 3 feutres nº 15, fait qu'il existe une couche continue d'asphalte entre la feuille enduite et les feutres nº 15, et il peut se produire un glissement dans ce plan, sur les toits en pente, si l'on a utilisé trop d'asphalte ou un asphalte à point de ramollissement trop bas.
Feuilles enduites - Souvent, on laisse les feuilles enduites pendant plusieurs jours comme
couverture temporaire sur l'isolant. Cette pratique n'est pas recommandée car, si les joints ne sont pas bien faits, de l'eau peut s'infiltrer dans le système, et de l'eau et de la saleté peuvent se déposer sur la surface du feutre. Lorsque l'on commence l'installation des autres feutres, ces matières peuvent nuire à l'adhérence et conduire à une séparation définitive entre le feutre enduit et les feutres n° 15.
Couche de glaçage - Dans la construction par étapes, il ne faut pas utiliser de couches de
glaçage, car la double application conduit à un excès de bitume entre les plis. Les concepteurs ne devraient pas exiger que des feutres soient étendus dans des directions opposées, dans une construction deux sur deux, s'ils ne peuvent pas tous être étendus le même jour. Les couches de glaçage sont principalement utilisées comme couche de protection pour la nuit ou une courte période, mais la poussière et l'humidité qui se déposent sur le revêtement ne peuvent qu'amplifier le problème de l'excès d'asphalte entre les plis.
Humidité - Lorsque l'on étend de l'asphalte sur un feutre qui contient de l'humidité on constate
la formation d'écume. Ce phénomène nuit à la pénétration et à l'adhérence, et peut emprisonner des bulles d'air dans l'asphalte lorsque de l'air remplace la vapeur d'eau dans l'écume, particulièrement par temps froid. Des cloques peuvent se produire entre les feutres lorsque la température s'élève. L'humidité qui souvent n'est présente que dans les bords extérieurs d'un rouleau de feutre peut produire un soulèvement du bord exposé du feutre au moment de la pose. Invariablement, ce bord dépasse de la couche finale d'asphalte et le feutre absorbe de l'humidité chaque fois qu'il pleut, ce qui mène éventuellement à une détérioration. Points à ne pas oublier
Un entrepreneur en couvertures devrait:
connaître la température d'utilisation, la température limite de soufflage, le point d'éclair et le point de ramollissement de l'asphalte qu'il achète
vérifier que le type qu'on lui fournit est celui qui a été spécifié, notamment s'il doit être utilisé sur un toit en pente
toujours éviter de chauffer l'asphalte au-dessus de sa température limite de soufflage (sa température au moment de l'emploi devrait être dans l'éventail de températures d'utilisation)
réorganiser ses travaux ou arrêter temporairement s'il ne peut maintenir les températures requises
étendre la quantité appropriée d'asphalte (le fait de se situer dans l'éventail de températures d'utilisation (TEV ± 15°C) ne suffit pas à garantir que l'on étend la bonne quantité par mètre carré)
terminer toute l'étanchéité le même jour (y compris la couche finale d'asphalte et le gravier)
toujours éviter d'utiliser une feuille enduite, revêtue d'un glaçage ou non, comme protection contre la pluie pendant la nuit ou une courte période (en principe, les feuilles enduites utilisées comme feutre de base dans l'étanchéité ne devraient être enduites que du côté inférieur, de sorte que le côté supérieur puisse mieux adhérer aux autres feutres)
utiliser seulement des matériaux secs et installer des arrêts d'eau à la fin de chaque journée de travail et les enlever avant de continuer le lendemain
étendre la couche finale d'asphalte de façon aussi uniforme que possible et sans omissions, de façon à parfaitement imperméabiliser les feutres.
Références
1. Laaly, H. 0. Effect of moisture on the strength characteristics of built-up roofing felts. American Society for Testing Materials, ASTM STP 603, 1976, pp. 104-113.
2. Solvason, K. R. et Handegord, G. 0. Plissement, rétrécissement et fissuration des membranes multicouches de toitures. Conseil national de recherches du Canada, Division des recherches sur le bâtiment Note d'information de recherches sur le bâtiment 112F, avril 1979.
3. Joncs, P. M. Matériaux bitumineux. Conseil national de recherches du Canada, Division des recherches sur le bâtiment,CBD 38F, 1964.
4. Lee, J. W., Dupuis, R. M. and Johnson, J. E. Experimental determination of temperature induced loads in BUR systems. Proceedings, Symposium on Roofing Technology, Washington, Sept. 21-23, 1977, pp. 38-48.
