DURABILITE MECANIQUE DU COLLAGE BLANC SUR NOIR DANS LES CHAUSSEES

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SUR NOIR DANS LES CHAUSSEES

Bertrand Pouteau

To cite this version:

Bertrand Pouteau. DURABILITE MECANIQUE DU COLLAGE BLANC SUR NOIR DANS LES CHAUSSEES. Matériaux et structures en mécanique [physics.class-ph]. Ecole Centale de Nantes; Université de Nantes, 2004. Français. �tel-03118831�

Ecole Centrale de Nantes

Université de Nantes

É

D

M

,

T

G

C

Année 2004

Thèse de D

OCTORAT

Diplôme délivré conjointement par

L'École Centrale de Nantes et l'Université de Nantes

Spécialité : GENIE CIVIL

Présentée et soutenue publiquement par : BERTRAND -POUTEAU

le 3 décembre 2004

au Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, Bouguenais

T

J

Président :

Rapporteurs : André Gilles DUMONT, Professeur à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne Jean Louis GRANJU, Professeur émérite à l'INSA de Toulouse

Examinateurs : Joseph ABDO, Directeur délégué "routes" à CIMBéton Armelle CHABOT, Chargée de Recherche au LCPC

Directeur de thèse : François de LARRARD

Laboratoire : Laboratoire Central des Ponts et Chaussées Co-encadrant : Armelle CHABOT

François de LARRARD, Chef de la division TGCE au LCPC

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Ecole Centrale de Nantes

Université de Nantes

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Année 2004

Thèse de D

OCTORAT

Diplôme délivré conjointement par

L'École Centrale de Nantes et l'Université de Nantes

Spécialité : GENIE CIVIL

Présentée et soutenue publiquement par : BERTRAND -POUTEAU

le 3 décembre 2004

au Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, Bouguenais

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J

Président :

Rapporteurs : André Gilles DUMONT, Professeur à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne Jean Louis GRANJU, Professeur émérite à l'INSA de Toulouse

Examinateurs : Joseph ABDO, Directeur délégué "routes" à CIMBéton Armelle CHABOT, Chargée de Recherche au LCPC

Directeur de thèse : François de LARRARD

Laboratoire : Laboratoire Central des Ponts et Chaussées Co-encadrant : Armelle CHABOT

François de LARRARD, Chef de la division TGCE au LCPC

D

Donatien LE HOUEDEC, Professeur à l'Ecole Centrale Nantes

I

Michèle CYNA, Directeur des Techniques et de la Promotion à EUROVIA Bertrand BRUSLE, Chargé d'Etudes au SETRA

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Introduction G´

en´

erale

1

I

Analyse bibliographique

7

1 Chauss´ees noires et blanches, avantages et inconv´enients 9

1.1 Constitution des structures de chauss´ee . . . 9

1.2 Rappel du principe de dimensionnement des chauss´ees . . . 10

1.3 Diff´erentes structures classiques de chauss´ee . . . 11

1.4 Comparaison des chauss´ees noires et blanches . . . 13

1.5 Structures composites r´ecentes . . . 15

1.6 Probl`eme de dimensionnement : coll´e ou non coll´e ? . . . 17

1.7 Conclusion : programme de recherche . . . 19

2 Analyse du probl`eme de collage 21 2.1 Adh´esion et adh´erence . . . 21

2.2 Essais de caract´erisation m´ecanique du collage . . . 25

2.3 Application `a l’´etude du collage entre b´eton de ciment et mat´eriau bitumineux . . . 37

3 Les outils d’analyse m´ecanique des structures b´eton hydraulique sur mat´eriaux bitumineux 47 3.1 Outils d’analyse . . . 48

3.2 Discussion sur les cas de figure `a traiter . . . 54

3.3 Revue des crit`eres de fissuration en fatigue . . . 56

3.4 Commentaires . . . 63

II

Etude du d´

´

elaminage de l’interface blanc sur noir en laboratoire 65

4.2 Application du M4 5n . . . 72

5 Campagnes exp´erimentales en laboratoire avec l’Essai de Poutre Console en Fatigue (EPCF) 79 5.1 Pr´esentation de l’EPCF . . . 79

5.3 EPCF type II . . . 90

6 Interpr´etations des essais EPCF 97 6.1 Corr´elation exp´erience - mod´elisation . . . 97

6.2 D´etermination de la vitesse de fissuration da/dN . . . 102

6.3 D´etermination de l’amplitude du taux de restitution d’´energie ∆G . . . 105

6.4 Crit`eres de ruptures pour les essais EPCF-II-Cyc-NT . . . 107

6.5 Conclusions . . . 108

III

Caract´

erisation de l’interface blanc sur noir par Contrˆ

ole Non

Destructif (CND)

111

7.2 Le Falling Weight Deflectometer (FWD) . . . 118

7.3 Le vibreur Goodman (vibreur l´eger) . . . 119

7.4 Le collom`etre . . . 119 7.5 Le collographe . . . 120 7.6 COLIBRI . . . 120 7.7 Impact-Echo . . . 120 7.8 Thermographie infrarouge . . . 121 7.9 RADAR de chauss´ee . . . 121 7.10 Bilan . . . 122

8 ´Evaluation de la technique d’auscultation RADAR 123 8.1 Principe de l’auscultation RADAR . . . 123

8.2 Mat´eriels utilis´es . . . 125

8.3 Campagnes de mesures sur les structures de r´ef´erence . . . 126

8.4 Conclusion . . . 129

9 ´Evaluation de la technique d’auscultation COLIBRI 131 9.1 Principe de l’auscultation COLIBRI . . . 131

9.2 Mat´eriels utilis´es . . . 134

9.3 Campagnes de mesures sur les structures de r´ef´erence . . . 135

9.4 Comparaison des r´esultats sur BHP et DVTA et discussion . . . 139

9.5 Conclusion . . . 142

10 Mise au point d’un indicateur de d´ecollement pour COLIBRI 143 10.1 Principe . . . 143

10.2 M´ethode d’optimisation . . . 144

10.3 Application `a la DVTA . . . 144

IV

Essais `

a grande ´

echelle

155

r´eel 159

11.1 Pr´esentation de la section exp´erimentale . . . 159

11.2 Campagnes d’auscultation p´eriodiques . . . 163

11.3 Pr´esentation et analyse des r´esultats . . . 165

11.4 Bilan . . . 169

12 Application des machines FABAC `a la fatigue de l’interface en vraie grandeur 171 12.1 Pr´esentation de l’exp´erimentation . . . 171

12.2 Pr´esentation des r´esultats . . . 178

12.3 Synth`eses des r´esultats . . . 191

12.4 Conclusion : m´ecanisme de d´egradation . . . 194

Conclusion G´

en´

erale

197

Bibliographie

205

Annexes

215

A.2 Le B´eton de Ciment . . . 225

B Description de la fabrication des ´eprouvettes EPCF 227 C Application du M4 5n `a l’´etude de structures charg´ees verticalement en d´eformations planes 231 C.1 D´efinition des champs inconnus appliqu´e au probl`eme 2D . . . 231

C.2 R´eductions du rang du syst`emes d’´equations par simplifications . . . 233

D Application du M4 5n `a l’´etude de l’EPCF en d´eformations planes 235 D.1 Les conditions aux limites . . . 235

D.2 R´esolution analytique de la zone simple . . . 236

D.3 R´eduction du rang du syst`eme de la zone composite . . . 237

D.4 Calcul de l’´energie de d´eformation . . . 239

D.5 R´esolution num´erique . . . 241

E Optimisation des conditions exp´erimentales de l’EPCF 247

F Construction de la DVTA 255

H Mise en œuvre du d´ecollement sur le chantier de la RN4 265

I R´esultats d’auscultation de la RN4 par campagne 267

J R´esultats de la campagne de carottage sur la section exp´erimentale FABAC 273

J.1 Joint J2 - interface non trait´ee, p´eriode hivernale . . . 274

J.2 Joint J3 - interface non trait´ee, p´eriode estivale . . . 277

J.3 Joint J6 - interface grenaill´ee, p´eriode hivernale . . . 281

Le b´eton est peu utilis´e pour la r´ealisation ou l’entretien de chauss´ees en France (ces vingt derni`eres ann´ees, 3,5% des march´es de routes et autoroutes non conc´ed´ees) car les mat´eriaux bitu-mineux ont ´et´e, jusqu’ici, plus comp´etitifs en termes de coˆut de premier investissement [Laurent, 2004]. Depuis le d´ebut des ann´ees 1990, deux techniques de chauss´ee innovante, dites blanc sur noir, et dont le principe commun est la mise en œuvre d’une couche de b´eton (blanc) sur une couche de mat´eriau bitumineux (noir), ont fait leur entr´ee sur la sc`ene fran¸caise [Baroin et al., 2001]. Il s’agit du B´eton de Ciment Mince Coll´e (BCMC) et du B´eton Arm´e Continu sur Grave Bitume (BAC sur GB) [CIMb´eton, 2000] [CIMb´eton, 2001]. Ces structures de chauss´ees composites pr´esentent un int´erˆet ´economique. En effet, leur principe de fonctionnement repose sur l’hypoth`ese, qu’un collage se d´eveloppe entre le b´eton et l’enrob´e. Avec un collage durable, il est alors possible de r´eduire l’´epaisseur des couches de mat´eriaux et ainsi le coˆut initial de la chauss´ee. Cependant, pour tirer le meilleur parti de ces structures de chauss´ee innovante, la durabilit´e du collage blanc sur noir doit ˆetre assur´ee pour l’int´egralit´e de la dur´ee de service de la chauss´ee. En France, cette dur´ee de service est prise ´egale `a 30 ans pour les voies du r´eseau structurant (routes nationales et autoroutes) [LCPC - SETRA, 1994].

L’obtention `a la mise en œuvre d’une interface blanc sur noir initialement adh´erente, moyennant diverses dispositions constructives, soul`eve aujourd’hui peu de probl`emes [Paillard, 1999], [Projet, 2000], [Brusl´e, 2004]. Par contre, on ne dispose pratiquement que de peu de donn´ees, issues de retours d’exp´eriences s’´etalant sur une quinzaine d’ann´ees, qui justifieraient de prendre en compte, dans le dimensionnement, le maintien dans le temps du collage entre mat´eriaux blanc et noir. Ou bien de consid´erer, au contraire, un endommagement progressif de l’interface, sous les actions com-bin´ees du trafic et du climat, pouvant conduire plus ou moins rapidement `a la situation d’interface ”glissante”.

En 1999, c’est dans ce contexte que d´ebute le th`eme de recherche quadriennal ”Mat´eriaux Hy-drauliques dans la Route” (MHyR) du Laboratoire Central des Ponts et Chauss´ees (LCPC) [LCPC, 2000], [de Larrard et al., 2001]. Initi´e dans le pˆole chauss´ees du LCPC, ce programme de recherche est men´e avec l’appui du r´eseau des Laboratoires R´egionaux des Ponts et Chauss´ees (LRPC), l’in-dustrie cimenti`ere, les entreprises routi`eres, et avec le concours d’´equipes universitaires (notamment l’´Ecole Centrale de Nantes). Le but de ce th`eme est de donner un regain de comp´etitivit´e aux pro-duits cimentaires dans la route. En particulier, l’industrie cimenti`ere, repr´esent´ee par l’Association Technique de l’Industrie des Liants Hydrauliques (ATILH, sujet PRS 00-10) d’une part, et le Labo-ratoire Central des Ponts et Chauss´ees (op´eration 13-G002) d’autre part, se sont associ´es, dans le cadre d’une convention ”CIFRE” (Conventions Industrielles de Formation par la Recherche, sous l’´egide du Minist`ere de la Recherche), afin d’´etudier de la durabilit´e m´ecanique du collage blanc sur noir.

Les travaux r´ealis´es dans le cadre de cette th`ese s’inscrivent dans cette convention et visent, ainsi, `a une meilleure connaissance des caract´eristiques de l’interface blanc sur noir. Ils reposent essentiellement sur des campagnes exp´erimentales en laboratoire et in-situ, qui ont b´en´efici´e de l’appui de bon nombre de divisions du LCPC - Centre de Nantes, du Syndicat Professionnel des Entrepreneurs de Chauss´ee en B´eton et d’´Equipements Annexes (SPECBEA), du Service d’´Etudes

Techniques des Routes et Autoroutes (SETRA), du Centre d’´Etudes Techniques de l’´Equipement (CETE) de l’OUEST, de la Direction D´epartementale de l’´Equipement 57 (DDE 57), et des entre-prises GAILLEDRAT et EUROVIA.

Ce m´emoire de th`ese comporte quatre parties. Apr`es avoir pr´esent´e le cadre et les enjeux de l’´etude, la premi`ere partie est consacr´ee au recensement des connaissances disponibles sur le sujet afin d’identifier les axes de recherche `a approfondir. Le programme de recherche d´efini vise `a d´eterminer exp´erimentalement, en laboratoire, la durabilit´e m´ecanique du collage blanc sur noir, et de valider les r´esultats obtenus en r´ealisant des essais `a grande ´echelle. Les aspects physico-chimiques ne seront pas d´evelopp´es dans ce travail. L’´etude bibliographique se focalise alors naturellement sur la d´efinition du collage, puis sur les essais m´ecaniques de laboratoire, et plus particuli`erement les essais de fatigue, permettant de mesurer sa performance. Un recueil des donn´ees disponibles sur le collage blanc sur noir est ´egalement pr´esent´e. Le croisement des donn´ees de laboratoire, des suivis de chantiers, et des mod´elisations num´eriques, permet de pr´eciser le contexte ”m´ecanique” de ce travail : les fissures verticales (de retrait) pr´eexistantes dans la couche de b´eton g´en`erent des sin-gularit´es m´ecaniques dans le milieu `a partir desquelles le d´elaminage de l’interface peut s’initier et se propager. Pour aborder ce probl`eme de m´ecanique de la rupture, on pr´esente, en fin de partie, des crit`eres empiriques ou semi-empiriques relatifs `a l’initiation et la propagation de fissure dans des milieux homog`enes, ainsi que des outils de mod´elisation permettant l’´etude des contraintes dans une structure composite et l’´etude du d´elaminage de l’interface. Parmi ces derniers, le mod`ele M4-5n (Mod`ele Multiparticulaire des Mat´eriaux Multicouches `a 5 n ´equations d’´equilibre, o`u n est le nombre total de couches), d´evelopp´e `a l’´Ecole Nationale des Ponts et Chauss´ees pour fournir `a l’ing´enieur un outil simple d’analyse des champs de contraintes 3D provoquant du d´elaminage ou de la fissuration dans les milieux stratifi´es, est le plus appropri´e.

La deuxi`eme partie pr´esente les r´esultats des campagnes d’essais r´ealis´ees `a l’aide de l’Essai de Poutre Console en Fatigue (EPCF), essai original, mis au point au d´ebut de cette th`ese pour ´etudier, en laboratoire, le d´elaminage de l’interface blanc sur noir en fatigue `a partir d’un bord libre. La mod´elisation de l’EPCF est men´ee `a l’aide du M4-5n en ´elasticit´e lin´eaire sous l’hypoth`ese de d´eformations planes. Les ´eprouvettes composites blanc sur noir ´etudi´ees sont constitu´ees d’un b´eton de ciment et d’un mat´eriau bitumineux de r´ef´erence ; deux natures d’interface sont consid´er´ees : grenaill´ee ou non grenaill´ee. Finalement, une analyse des r´esultats exp´erimentaux est propos´ee, et les crit`eres de propagations de fissures obtenus sont compar´es `a un crit`ere simple, celui de Paris.

La troisi`eme partie est consacr´ee `a la mise au point d’une m´ethodologie de suivi de l’´etat de l’interface blanc sur noir par des techniques de Contrˆole Non Destructif (CND). Apr`es avoir pr´esent´e une revue bibliographique des CND appliqu´ees `a l’auscultation des chauss´ees, on ´evalue, sur les structures de r´ef´erence, l’aptitude de deux techniques de CND disponibles au LCPC : celle qui s’appuie sur le radar (auscultation ´electromagn´etique) et la technique ”COLIBRI” (auscultation m´ecanique dynamique). On choisit finalement la technique COLIBRI, pour laquelle on propose une am´elioration de l’analyse de la r´eponse de la chauss´ee.

La quatri`eme et derni`ere partiede ce m´emoire expose les r´esultats de deux exp´erimentations `a grande ´echelle r´ealis´ees dans le cadre de cette th`ese. Tout d’abord, on pr´esente l’´etude (sur une p´eriode de 22 mois) de la propagation d’un d´ecollement de l’interface blanc sur noir, g´en´er´e artificiellement, sous des conditions de chargement r´eel (2000 poids lourds par jour), `a l’aide de la technique COLIBRI. Ce chantier exp´erimental se situe en Moselle, sur un nouveau tron¸con de la RN4 dont la structure de chauss´ee est en BAC sur GB : la d´eviation de B´ebing-Imling. On analyse ensuite le mode de d´egradation d’une maquette de structure de chauss´ee, `a l’´echelle 1 :1, soumise `a essai de chargement acc´el´er´e `a l’aide des deux machines FABAC [IREX, 2000]. La sollicitation de l’interface est augment´ee par l’amincissement de la structure et la r´ealisation de fissures franches, qui interdisent tout engr`enement m´ecanique au niveau du joint.

normal du texte, inutile de retourner ce texte Ceci est le sens de lecture normal du texte, inutile de retourner ce texte

Chauss´

ees noires et blanches, avantages

et inconv´

enients

Ce chapitre traite de nouvelles structures de chauss´ee, dans lesquelles on associe des couches de b´eton de ciment (blanc) et de mat´eriau bitumineux (noir). Le blanc d´esigne dans le jargon routier les mat´eriaux ne contenant pas de bitume ; on ne parle pas ici de ciment blanc, liant particulier qui doit sa couleur claire `a l’absence d’oxydes de fer dans sa composition.

On commence par d´ecrire les structures de chauss´ee et rappeler les principes du dimensionne-ment fran¸cais o`u les chauss´ees sont assimil´ees, dans les calculs, `a des structures planes multicouches, pos´ees sur un substratum semi-infini, dont on v´erifie la tenue vis-`a-vis des charges m´ecaniques et climatiques. Les solutions techniques au probl`eme de dimensionnement se d´eclinent classiquement en six familles de chauss´ee, pr´esent´ees dans le paragraphe 1.3. Ces familles reposent sur la mise en œuvre de deux types de mat´eriau : b´eton de ciment et enrob´e bitumineux. Le paragraphe 1.4 propose une comparaison des techniques de chauss´ee blanches et noires. On pr´esente ensuite deux structures composites innovantes : le b´eton arm´e continu (BAC) sur fondation en grave-bitume, puis le b´eton de ciment mince coll´e (BCMC). L’int´erˆet de ces structures d´epend, pour une large part, de la qualit´e et de la p´erennit´e de l’adh´erence m´ecanique apparaissant aux interfaces entre mat´eriaux bitumineux et hydrauliques, comme le souligne le paragraphe 1.6. A l’heure actuelle, la question de la p´erennit´e du collage est sans r´eponse. On ´enonce donc en conclusion un programme de recherche visant `a ´etudier la durabilit´e m´ecanique du collage blanc sur noir.

1.1

Constitution des structures de chauss´

ee

Une chauss´ee est un empilement de couches de mat´eriaux granulaires, li´es ou non. Suivant la description g´en´erale adopt´ee en France [LCPC - SETRA, 1994] (cf. figure 1.1), on associe `a chacune des couches une fonction.

La plate-forme support de chauss´ee, constitu´ee du sol support surmont´ee g´en´eralement d’une couche de forme sert, comme son nom l’indique, de support au corps de chauss´ee. Elle est d´efinie par une classe de portance PFi allant de PF1, lorsque son module d’´elasticit´e est compris entre 20 et 50 MPa, `a PF4 lorsque son module est sup´erieur `a 200 MPa. Cette classe d´epend de la portance

SOL SUPPORT COUCHE DE FORME COUCHE DE FONDATION COUCHE DE BASE COUCHE DE ROULEMENT COUCHE DE LIAISON ACCOTEMENT COUCHES D'ASSISE COUCHE DE SURFACE ARASE DE TERRASSEMENT PLATE-FORME SUPPORT DE CHAUSSEE

Fig. 1.1 – Terminologie des diff´erentes couches de chauss´ee

initiale du sol support ajust´ee, si n´ecessaire par un retraitement en place ou une couche de forme. Les couches d’assise sont g´en´eralement form´ees de la couche de fondation surmont´ee de la couche de base. Elles apportent `a la chauss´ee la r´esistance m´ecanique aux charges verticales induites par le trafic et r´epartissent les pressions sur la plate-forme support afin de maintenir les d´eformations `a un niveau admissible.

La couche de surface est constitu´ee d’une couche de roulement reposant ´eventuellement sur une couche de liaison interm´ediaire. La couche de surface assure la protection des couches d’assise vis-`a-vis des infiltrations d’eau et garantit la s´ecurit´e et le confort des usagers.

Le guide technique fran¸cais de dimensionnement des structures de chauss´ee [LCPC - SETRA, 1994] d´efinit cinq cat´egories de mat´eriaux de chauss´ee qu’on peut classer en trois grandes familles : • les mat´eriaux non li´es sont r´eunis par la norme NF P 98-129 sous l’appellation graves non

trait´ees ;

• les mat´eriaux noirs (en r´ef´erence `a la couleur du liant) regroupent les mat´eriaux trait´es aux liants hydrocarbon´es `a chaud (souvent d´esign´e mat´eriaux bitumineux) suivant les normes NF P 98-130 `a NF P 98-150 et les mat´eriaux trait´es `a l’´emulsion de bitume (autrement d´esign´e mat´eriaux bitumineux `a froid) suivant la norme NF P 98-121 ;

• les mat´eriaux blancs regroupent les mat´eriaux trait´es aux liants hydrauliques NF P 98-113 `a NF P 98-128 (norme NF P 98-121 exclue) et les b´etons de ciment NF P 98-170.

1.2

Rappel du principe de dimensionnement des chauss´

ees

Le calcul de base consiste `a placer `a la surface du mod`ele une surcharge symbolisant l’ac-tion des v´ehicules (essieux de poids lourds) [LCPC - SETRA, 1994]. On cherche alors `a calculer les contraintes (ou d´eformations) maximales de traction par flexion qui apparaissent en partie inf´erieure des diff´erentes couches de mat´eriaux trait´es, et les contraintes ou d´eformations verti-cales maximales dans les mat´eriaux non trait´es et les sols. Sous l’effet d’un grand nombre de

chargements, ces contraintes contribuent `a l’endommagement des mat´eriaux par un m´ecanisme de fatigue. Le fait d’imposer une dur´ee de vie `a la structure revient, par l’interm´ediaire d’une loi de fatigue r´eput´ee intrins`eque au mat´eriau, `a limiter ces contraintes instantan´ees `a des valeurs seuils. Ces seuils peuvent ˆetre d´etermin´es en appliquant en laboratoire des chargements r´ep´et´es sur une ´eprouvette du mat´eriau (NF P 261-1).

Classiquement, pour les chauss´ees `a fort trafic, dites voies du r´eseau structurant (routes natio-nales, autoroutes), la dur´ee de service vis´ee est de 30 ans. Pour les chauss´ees `a faible trafic, ou voies du r´eseau non structurant, cette dur´ee est ramen´ee `a 20 ans.

Le calcul des seuils de contrainte admissibles se fait donc par r´ef´erence `a la r´esistance de chaque mat´eriau sous chargement instantan´e, avec prise en compte d’une r´eduction li´ee `a la courbe de fatigue. Les ´epaisseurs des couches de mat´eriaux `a mettre en œuvre sont d´etermin´ees de mani`ere `a r´epondre `a ce crit`ere de fatigue. D’autres coefficients correcteurs doivent n´eanmoins ˆetre appliqu´es, pour tenir compte de ph´enom`enes parasites. Par exemple, une dalle de b´eton soumise `a un enso-leillement voit, au moins dans un premier temps, sa fibre sup´erieure chauffer davantage que sa fibre inf´erieure, d’o`u une dilatation diff´erentielle engendrant une cambrure. Les conditions d’appui de la dalle sont alors modifi´ees, et les contraintes subies en partie courante lors du passage d’une charge roulante sont fortement major´ees [Salasca, 1998], [IREX, 2000].

1.3

Diff´

erentes structures classiques de chauss´

ee

On d´ecrit ici les diff´erentes familles de chauss´ee, des chauss´ees noires (compos´ees uniquement de mat´eriaux bitumineux) aux chauss´ees blanches (compos´ees uniquement de mat´eriaux trait´es aux liants hydrauliques). Les r´ef´erences aux fiches du catalogue sont relatives aux voies du r´eseau structurant (VRS) [LCPC - SETRA, 1998] :

• les chauss´ees souples, r´eserv´ees aux faibles trafics, c’est `a dire les voies du r´eseau non structu-rant (VRNS), sont compos´ees d’une couverture bitumineuse assez mince (inf´erieure `a 15 cm) reposant sur une ou plusieurs couches de graves non trait´ees. L’´epaisseur totale de la chauss´ee est de 30 `a 60 cm ;

• les chauss´ees bitumineuses ´epaisses se composent d’une couche de roulement bitumineuse sur une assise en mat´eriaux trait´es aux liants hydrocarbon´es (VRS fiches n˚1, 2 et 3) ; • les chauss´ees `a structure inverse se composent d’une couche de surface et d’une couche de

base en mat´eriaux bitumineux, sur une couche en graves non trait´ees de faible ´epaisseur, reposant elle-mˆeme sur une couche de forme trait´ee aux liants hydrauliques qui joue ´egalement le rˆole de couche de fondation (VRS fiche n˚25) ;

• les chauss´ees `a structure mixte comportent une couche de surface et une couche de base en mat´eriaux bitumineux sur une couche de fondation en mat´eriaux trait´es aux liants hydrau-liques. De plus, le rapport de l’´epaisseur de mat´eriaux bitumineux `a l’´epaisseur totale de la chauss´ee est de 0,5 (VRS fiches n˚15 `a 18) ;

• les chauss´ees semi-rigides, ´egalement appel´ees chauss´ees `a assise trait´ee aux liants hydrau-liques, comprennent une couche de surface bitumineuse sur une assise en mat´eriaux trait´es

aux liants hydrauliques (VRS fiches n˚4 `a 14) ;

• les chauss´ees en b´eton de ciment ou chauss´ees rigides sont constitu´ees d’une couche de base en b´eton de ciment, qui sert aussi de couche de roulement, et qui repose soit sur une couche de fondation en mat´eriaux trait´es aux liants hydrauliques ou en b´eton maigre, soit sur une couche drainante en graves non trait´ees, soit sur une couche d’enrob´e reposant elle-mˆeme sur une couche de forme trait´ee aux liants hydrauliques.

La mise en œuvre du b´eton de ciment sur une grande longueur le conduit, par ph´enom`ene de retrait empˆech´e, `a pr´esenter des fissures transversales de retrait longitudinal. Pour tenir compte de ce ph´enom`ene in´evitable, cette derni`ere famille de chauss´ee se d´ecline en cinq types de chauss´ee de b´eton de ciment. Dans la liste suivante, les deux premiers types de chauss´ee ne proposent pas de dispositions particuli`eres pour prendre en compte ces fissures. Les trois derniers types de chauss´ee introduisent les notions de goujon ou de b´eton arm´e continu afin d’assurer au contraire une continuit´e m´ecanique au franchissement de la fissure. Ainsi on a :

• la dalle non goujonn´ee sur une fondation en mat´eriaux trait´es aux liants hydrauliques, ´egalement appel´ee structure californienne (VRS fiches n˚22 et 23 du catalogue) ;

• la dalle ´epaisse sur couche drainante (VRS fiche n˚24) ;

• la dalle goujonn´ee sur une fondation en mat´eriaux trait´es aux liants hydrauliques (VRS fiche n˚20) ;

• le B´eton Arm´e Continu sur une fondation en mat´eriaux trait´es aux liants hydrauliques (VRS fiche n˚19) ;

• le B´eton Arm´e Continu sur une fondation en mat´eriaux trait´es aux liants hydrocarbon´es re-posant sur une plate-forme trait´ee au liant hydraulique (VRS fiche n˚21).

La continuit´e m´ecanique, vis-`a-vis d’une sollicitation verticale, au passage d’une fissure dans la couche de b´eton de ciment se fait suivant deux philosophies :

– la premi`ere consiste `a transf´erer les efforts verticaux d’un bord `a l’autre de la fissure par l’inclusion des goujons m´etalliques, non adh´erents au b´eton afin de ne pas s’opposer au retrait. Ces goujons sont mis en place `a mi-hauteur au niveau de la fissure. Ils sont g´en´eralement espac´es de 30 cm ;

– la seconde solution propose de contrˆoler la fissuration libre de retrait dans la couche de b´eton en incorporant une nappe d’armatures longitudinales plac´ee `a mi-hauteur de la couche. C’est la structure dite de B´eton Arm´e Continu. L’adh´erence du b´eton sur l’acier permet de distribuer le retrait longitudinal et d’obtenir des fissures transversales avec une r´epartition r´eguli`ere et rapproch´ee. Les fissures ainsi cr´e´ees sont donc tr`es fines et leur ouverture est limit´ee par les armatures. Le transfert des efforts verticaux est alors assur´e par l’engr`enement des deux l`evres de la fissure et par l’effet de goujon des armatures.

L’efficacit´e de ces deux types de continuit´e m´ecanique est mesur´ee par un coefficient de transfert de charge en d´eflexions ou en contraintes [Salasca, 1998].

1.4

Comparaison des chauss´

ees noires et blanches

Les pr´ec´edents paragraphes ont ´et´e consacr´es `a la description des diff´erentes structures de chauss´ee, selon la terminologie fran¸caise. Dans ce paragraphe, on rappelle les ´el´ements de gestion d’un r´eseau routier [LCPC - SETRA, 1994] avant de comparer les chauss´ees noires et les chauss´ees blanches.

Du point de vue d’un gestionnaire, le choix d’une de ces structures de chauss´ee, en travaux neuf ou en r´ehabilitation, r´esulte de la d´efinition d’objectifs relatifs aux services `a rendre `a l’usa-ger et `a la mani`ere dont sont prises en compte les contraintes d’environnement. Ce choix passe in´evitablement par la d´efinition d’une strat´egie globale d’investissement et d’entretien de la chauss´ee ´economiquement optimale. G´en´eralement, ces strat´egies s’´etendent sur des dur´ees maximales de 30 ann´ees pour le r´eseau national non conc´ed´e, et peuvent d´epasser 40 ann´ees pour les gestionnaires priv´es du r´eseau national conc´ed´e (autoroutes). Au terme de cette p´eriode, il faut envisager une r´efection totale de la structure de chauss´ee.

Aujourd’hui, on consid`ere cinq groupes d’objectifs dans l’analyse du service rendu par la route : la s´ecurit´e, le temps et le coˆut du parcours, la r´egularit´e du service rendu, le confort de conduite, et l’agr´ement du parcours. Ils sont quantifi´es, par l’interm´ediaire d’indicateurs, en termes de niveau de service.

Le niveau de service est variable dans le temps et diminue avec l’usure de la route. Cette usure n’est pas la mˆeme pour chaque famille de chauss´ee. Les prochaines lignes traitent d’un sujet pol´emique. On compare pour les chauss´ees noires et blanches, telles qu’elles ont ´et´e d´ecrites jus-qu’ici, les avantages d’une famille sur l’autre en adoptant une d´emarche de gestionnaire.

Le coˆut initial `a l’investissement, pour les chauss´ees en b´eton de ciment, est plus ´elev´e que celui de structures hydrocarbon´ees de mˆeme capacit´e structurelle. Cela r´esulte notamment d’hypoth`eses formul´ees sur le collage ou non des interfaces entre les diff´erentes couches pour le dimensionnement [LCPC - SETRA, 1994]. Les mat´eriaux noirs sont toujours consid´er´es coll´es `a la couche sous jacente. Au contraire, les couches de b´eton sont suppos´ees non-coll´ees, quelle que soit la couche sous jacente. Pour les mat´eriaux trait´es aux liants hydrauliques, on formule l’hypoth`ese interm´ediaire de semi-collage. Dans les calculs, on ´evalue alors les contraintes en effectuant la moyenne arithm´etique du cas coll´e et du cas non-coll´e. Pour revenir aux structures b´eton sur b´eton, l’hypoth`ese de glissement se traduit ´evidemment par des ´epaisseurs de mat´eriau major´ees, et, par cons´equent, ne sert pas la comp´etitivit´e ´economique de cette technologie.

Ces propos sont `a nuancer par le fait que les chauss´ees noires sont tr`es sensibles au prix du bi-tume, directement li´e au prix du baril de p´etrole, au contraire des chauss´ees blanches qui b´en´eficient d’une relative stabilit´e du cours du ciment.

Sur le plan de la s´ecurit´e, l’un des indicateurs de niveau de service est la qualit´e de l’uni longitudinal et transversal, des irr´egularit´es pouvant conduire `a des d´elestages de roues et `a la formation de zones d’accumulation d’eau, avec risque associ´e d’aquaplanage.

Soumises `a des conditions de temp´erature ´elev´ee, les chauss´ees noires, constitu´ees de mat´eriaux `a comportement visco´elastique, pr´esentent g´en´eralement un orni´erage `a faible rayon, r´esultat du

fluage de la couche de roulement. Sur certaines routes particuli`erement expos´ees `a l’ensoleille-ment, soumises `a un trafic lourd important, ces d´esordres peuvent ˆetre `a l’origine d’entretiens tr`es fr´equents. Les chauss´ees blanches ne pr´esentent pas ce type de d´egradation du fait du comportement ´elastique des b´etons de ciment.

Les mat´eriaux bitumineux sont sensibles aux hydrocarbures qui sont des solvants du bitume. Le d´eversement d’hydrocarbures sur la chauss´ee provoque un d´esenrobage en surface du mat´eriau bitumineux, qui provoque la formation d’un nid de poule. Les chauss´ees blanches sont insensibles aux hydrocarbures.

Sur le plan du confort de conduite, l’un des indicateurs de niveau de service est le confort sonore li´e au bruit de roulement.

Sur ce point, les gestionnaires rencontrent des difficult´es d’entretien des chauss´ees blanches notamment en fin de dur´ee de vie. Ces difficult´es portent souvent sur les dalles californiennes, mise en œuvre en France `a la fin des ann´ees 1950, qui pr´esentent aux niveaux des joints une ´evolution importante des conditions d’appui conduisant `a des pathologies de type battement de dalle ou mise en escalier. Il s’agit de ph´enom`enes de pompages, favoris´es par l’´erodabilit´e du support. Ces d´esordres, syst´ematiquement rencontr´es pour les structures en dalles californiennes, contribuent `a prˆeter `a l’ensemble des chauss´ees en b´eton de ciment une mauvaise r´eputation, dont certains concepteurs de routes n’arrivent pas `a se d´efaire. Le ph´enom`ene de pompage est en g´en´eral contrˆol´e avec des structures en dalles goujonn´ees ou en b´eton arm´e continu.

De plus, par le pass´e, pour r´epondre aux crit`eres de s´ecurit´e en terme d’adh´erence, le traitement de la surface de roulement des chauss´ees blanches ´etait le striage. Cela se traduisait par un bruit de roulement sourd qui contribue aussi `a la mauvaise image des structures en b´eton. Aujourd’hui, de nouvelles techniques de traitement de la surface peu bruyantes, telles que la d´esactivation ou le grenaillage du b´eton durci, sont couramment pratiqu´ees.

Les chauss´ees semi-rigides, quant `a elles, pr´esentent des fissures transversales, espac´ees de 5 `a 10 m`etres, remontant des couches d’assise en mat´eriaux hydrauliques. Ces discontinuit´es de l’uni peuvent g´en´erer un bruit de roulement suppl´ementaire qui n’est gu`ere appr´eci´e par les usagers ; mais surtout, le pontage de ces fissures est une suj´etion jug´ee trop contraignante par beaucoup de maˆıtres d’ouvrages.

A la lumi`ere de cette comparaison, on peut comprendre que les chauss´ees en b´eton souffrent d’un d´esint´erˆet de la part des maˆıtres d’ouvrage et des maˆıtres d’œuvre. Actuellement, en France, le b´eton est peu utilis´e pour la r´ealisation ou l’entretien de chauss´ee (3,5% des march´es de routes et autoroutes non conc´ed´ees). Pourtant, il a surmont´e la plupart de ses retards en termes de niveau de service sur les mat´eriaux noirs. La seule diff´erence qui subsiste est la diff´erence de coˆut initial [Laurent, 2004].

Dans ce contexte, et `a la lueur de r´ecentes innovations techniques (pr´esent´ees dans le para-graphe 1.5), les chauss´ees blanches sont revenues, il y a quelques ann´ees, sur le devant de la sc`ene fran¸caise avec de nouvelles fiches de structures exp´erimentales, plus comp´etitives ´economiquement [Guidoux, 2000].

1.5

Structures composites r´

ecentes

Depuis quelques ann´ees, en compl´ement des techniques classiques de chauss´ee pr´esent´ees dans le paragraphe 1.3, une nouvelle tendance apparaˆıt : d´evelopper des structures composites innovantes, qui tentent d’utiliser au mieux les sp´ecificit´es des mat´eriaux les constituant, afin de r´ealiser des routes offrant un bon compromis entre qualit´e technique et ´economie. La combinaison de la dura-bilit´e des b´etons de ciment avec la souplesse et la capacit´e d’adaptation des mat´eriaux bitumineux en est un excellent exemple. On pr´esente ici deux techniques de chauss´ee innovante tirant partie du mariage des mat´eriaux blancs et noirs : le b´eton de ciment mince coll´e et le b´eton arm´e continu sur grave bitume. En fait, l’int´erˆet de cette combinaison d´epend pour une large part de la qualit´e et de la p´erennit´e de l’adh´erence m´ecanique apparaissant aux interfaces entre mat´eriaux bitumineux et hydrauliques.

1.5.1

BCMC

Le BCMC (B´eton de Ciment Mince Coll´e) est une technique d’entretien superficiel des struc-tures bitumineuses, propos´ee pour lutter contre l’orni´erage des couches de roulement. Il s’agit d’une technique r´ecente n´ee aux ´Etats-Unis au d´ebut des ann´ees 1990 [Cole et al., 1998] et employ´ee de-puis moins d’une dizaine d’ann´ees en France [CIMb´eton, 2000].

Cette technique consiste tout d’abord `a fraiser ou `a raboter la structure bitumineuse d´egrad´ee sur une ´epaisseur ad´equate. Apr`es nettoyage de la surface, une couche mince de b´eton de ciment, non arm´e, est coul´ee en une ´epaisseur comprise entre 5 et 10 cm ; des joints sont sci´es dans le b´eton jeune, sur environ le tiers de l’´epaisseur, de fa¸con `a d´elimiter des dalles dont les dimensions sont de l’ordre de 15 `a 20 fois l’´epaisseur (figure 1.2). L’ouverture des joints est ainsi limit´ee `a des valeurs dont on esp`ere qu’elles sont suffisamment faibles pour pr´evenir une p´en´etration excessive d’eau ou d’autres agents agressifs. On a alors une structure qui s’apparente `a des dalles californiennes, mais avec des dimensions r´eduites.

Matériaux bitumineux Plate Forme Support Couche de BCMC Joints de préfissuration du béton

Le succ`es de cette technique est essentiellement li´e `a l’hypoth`ese que la couche de b´eton adh`ere `a la structure r´esiduelle en mat´eriau bitumineux. Cette structure composite pr´esente un com-portement monolithique vis-`a-vis des sollicitations de trafic. Ce qui entraˆıne une r´eduction des contraintes de traction `a la base de la couche de b´eton, par rapport `a la mˆeme structure consid´er´ee non adh´erente, et garantit `a la couche mince une bonne tenue en fatigue par flexion (cf. figure 1.3). Cette hypoth`ese de collage, au cœur de ce travail de th`ese, est d´etaill´ee dans le paragraphe 1.6.

schéma du diagramme des contraintes dans une couche

Interface décollée Interface collée

BCMC BCMC Structure bitumineuse résiduelle Structure bitumineuse résiduelle

Fig. 1.3 – Influence du collage sur le diagramme des contraintes : (a) interface non coll´ee (b) interface coll´ee.

En ce qui concerne la qualit´e de l’uni, le BCMC peut recevoir tous les proc´ed´es de traite-ment de surface traditionnelletraite-ment utilis´es sur les chauss´ees en b´eton de citraite-ment (balayage, striage, d´esactivation ou grenaillage du b´eton durci).

Aujourd’hui, le BCMC est mis en avant, en tant que technique anti-orni´erage, pour d’autres applications, par exemple dans des chauss´ees urbaines neuves devant subir une circulation fortement canalis´ee (du type couloir de bus). Des quelques dizaines de chantiers ex´ecut´es en France, il ressort que l’adh´erence avec le support bitumineux reste suffisante pour ´eviter tout d´epart de mat´eriaux, malgr´e la fissuration des dalles qui se d´eveloppe parfois, notamment dans les coins.

1.5.2

BAC sur GB

La technique B´eton Arm´e Continu sur Grave Bitume (BAC sur GB) est une structure com-posite, innovante et r´ecente, que l’on peut voir comme une optimisation la structure BAC/BBSG (B´eton Bitumineux Semi-Grenu) de la fiche n˚21 (VRS) du guide de dimensionnement. Elle est pr´esent´ee dans une fiche de structure exp´erimentale BBTM (B´eton Bitumineux Tr`es Mince)/ES (Enduit Superficiel)/BAC/GB ayant fait l’objet de la note du directeur des routes du 3 octobre 2000 [Guidoux, 2000].

Cette structure de chauss´ee est r´ealis´ee sur des plate-formes support de type PF3 ou PF4. La couche de fondation en grave bitume de classe 3 (GB3) a une ´epaisseur fixe de 9 cm. La surface de la GB3 est grenaill´ee avant la mise en œuvre d’une couche de base en BAC dont l’´epaisseur varie

en fonction du trafic. Le taux d’armatures longitudinales repr´esente 0,67% de la section de b´eton. Le rˆole des armatures dans le BAC est principalement de contrˆoler la fissuration transversale sans participer `a la r´esistance aux sollicitations du trafic. Ainsi, le pas de fissuration naturelle du BAC est voisin de 1 m`etre (figure 1.4). La surface du BAC est grenaill´ee avant la r´ealisation d’une couche d’enduit superficiel (ES), constitu´e d’une couche d’´emulsion de bitume recouverte par gravillonage, qui assure l’´etanch´eit´e de la structure et l’adh´erence entre le BAC et la couche de roulement. L’ES est surmont´e d’une couche de roulement en b´eton bitumineux tr`es mince (BBTM) d’´epaisseur 2,5 cm. BAC : Béton Armé Continu GB 3 : Grave Bitume 3 Aciers longitudinaux PF3 : Plate Forme de classe 3 Surface Grenaillée Fissures de retrait dans la couche de BAC

Fig. 1.4 – Illustration de la fissuration transversale naturelle dans le BAC

Au mˆeme titre que le BCMC (d´ecrit dans le pr´ec´edent paragraphe), le succ`es de cette technique est essentiellement li´e `a l’hypoth`ese que la couche de b´eton de ciment est coll´ee sur la couche de fondation en mat´eriau bitumineux. L’hypoth`ese de collage total est prise en compte pour une dur´ee de 15 ans, d’o`u une diminution sensible de l’´epaisseur des couches de b´eton pour les diff´erents cas de trafic et de qualit´e de plate-forme par rapport `a la structure BAC/BBSG. Cette hypoth`ese de dimensionnement est discut´ee dans le paragraphe 1.6.

1.6

Probl`

eme de dimensionnement : coll´

e ou non coll´

e ?

Les raisons qui conduisent une chauss´ee `a ˆetre (g´en´eralement) constitu´ee d’un empilement de couches de mat´eriaux sont multiples :

– la chauss´ee doit r´epondre, `a moindre coˆut, `a plusieurs fonctions (cf. section 1.1). La diversit´e des fonctions n´ecessite l’emploi de mat´eriaux diff´erents ;

– la conception de la chauss´ee par couches successives permet une plus grande souplesse lors de sa r´ealisation. Sans cela, il serait, par exemple, quasi impossible d’obtenir des profils en long de bonne qualit´e (conduisant `a des chauss´ees confortables) ;

– il existe une ´epaisseur limite de mise en œuvre pour certains mat´eriaux, principalement les mat´eriaux compact´es (noir ou blanc). Si cette limite n’est pas respect´ee, les performances m´ecaniques du mat´eriau ne sont pas optimales.

S_{elon le principe de dimensionnement retenu en France (cf. section 1.2), les ´epaisseurs des} couches (et par cons´equent le coˆut de la chauss´ee) d´ependent de la rigidit´e de cet empilement et de son aptitude `a r´esister aux sollicitations r´ep´et´ees du trafic. Dans ces conditions, si un collage se d´eveloppe entre les diff´erentes couches, la structure de chauss´ee a alors un comportement monoli-thique. Par rapport `a une structure d´ecoll´ee, la rigidit´e est augment´ee et les contraintes au sein des mat´eriaux sont minor´ees. Dans l’hypoth`ese suppl´ementaire selon laquelle ce collage persiste pen-dant toute la dur´ee de service de la chauss´ee, on peut r´eduire l’´epaisseur des couches de mat´eriaux et ainsi le coˆut initial de la chauss´ee. Il faut souligner que le guide technique fran¸cais de dimen-sionnement des structures de chauss´ee [LCPC - SETRA, 1998] n’aborde pas la probl´ematique de la durabilit´e du collage des couches de chauss´ee : il fixe seulement des hypoth`eses sur l’´etat coll´e ou non de l’interface `a prendre en compte dans le dimensionnement des structures, qui sont fonction des mat´eriaux en pr´esence. Le b´eton de ciment est suppos´e d´ecoll´e de tout support. Cette hypoth`ese de glissement se traduit ´evidemment par des ´epaisseurs de mat´eriau major´ees, et, par cons´equent, ne sert pas la comp´etitivit´e ´economique de cette technologie.

A titre d’exemple, la figure 1.5 pr´esente une comparaison des g´eom´etries de diff´erentes structures dimensionn´ees suivant les mˆemes contraintes : chauss´ees soumises `a un trafic de classe 6 (TC6 : entre 14 et 38 millions de poids lourds sur 30 ans) plate-forme support PF3 (fiches n˚2, 19, 21 [LCPC - SETRA, 1998] compar´ees `a la structure exp´erimentale BBTM/ES/BAC/GB [Guidoux, 2000]) pr´esent´ee dans le chapitre pr´ec´edent.

BBTM 2,5 cm BBSG 6 cm GB3 13 cm GB3 13 cm PF3 BAC 19 cm BC2 15 cm PF3 BAC 22 cm BBSG 5 cm PF3 (traité au liant hydraulique) BBTM 2,5 cm ES BAC 17 cm GB3 9 cm PF3

Fig. _{1.5 – Comparaison de diff´erentes structures de chauss´ee pour un trafic TC6.}

Pour b´en´eficier de l’hypoth`ese du collage de la couche de BAC sur GB, et pouvoir utiliser la structure exp´erimentale BBTM/ES/BAC/GB, il faut s’assurer que ce collage existe et a une dur´ee de vie au moins ´egale `a la dur´ee de vie de la structure de chauss´ee, c’est `a dire 30 ans. Pourtant, les hypoth`eses actuelles, que nous commenterons ult´erieurement, sont bas´ees sur une dur´ee de vie du collage de 15 ans. L’obtention `a la mise en œuvre d’une interface initialement adh´erente, moyennant diverses dispositions constructives, soul`eve aujourd’hui peu de probl`emes. ´Etant donn´ee la r´ecente apparition (milieu des ann´ees 1990) des techniques blanc sur noir sur la sc`ene internationale, on ne dispose pratiquement pas de donn´ees qui justifieraient de prendre en compte, dans le

dimension-nement, le maintien dans le temps du collage entre mat´eriaux blanc et noir, ou de consid´erer au contraire un endommagement progressif de l’interface, sous les actions combin´ees du trafic et du climat, pouvant conduire plus ou moins rapidement `a la situation d’interface glissante.

1.7

Conclusion : programme de recherche

A l’heure actuelle (en 2004), l’examen du parc national (et mˆeme mondial) des chauss´ees com-posites blanc sur noir permettrait d’´evaluer la durabilit´e du collage entre b´eton hydraulique et mat´eriaux bitumineux pour des dur´ees de services d’un peu plus de 10 ans. En effet, le concept de structure composite blanc sur noir, tel qu’on le pr´esente ici, est relativement r´ecent puisque les premi`eres chauss´ees de ce type sont apparues au milieu des ann´ees 90. D`es lors, plus d’une vingtaine d’ann´ees seraient n´ecessaires pour statuer sur la tenue du collage blanc sur noir, ce qui est un frein au d´eveloppement de ces techniques innovantes.

Il est important de noter que la Belgique utilise depuis 30 ans un autre concept de structure de chauss´ee blanc sur noir pour lequel l’interface se situe `a grande profondeur et est par cons´equent peu sollicit´ee. Suite `a des campagnes de carottages men´ees sur des chauss´ees belges d’ˆage variable (neuve, 15 ans et 30 ans), il a ´et´e constat´e pour les plus vieilles carottes que le mat´eriau noir se d´esagr´egeait alors que 50% des carottes pr´elev´ees au bout de 15 ans et 100% des carottes pr´elev´ees sur la structure neuve pr´esentaient une interface coll´ee. C’est sur la base de ces observations que l’hypoth`ese de dimensionnement des structures BBTM/ES/BAC/GB (interface coll´ee pendant 15 ans puis d´ecoll´ee pendant 15 ans) a ´et´e adopt´ee par le SETRA.

L’objet de cette th`ese est d’´etudier la durabilit´e du collage entre le b´eton hydraulique et les mat´eriaux bitumineux par une approche m´ecanique, afin de dimensionner au mieux, c’est `a dire en tirant le meilleur parti du collage des couches, les chauss´ees blanc sur noir. Les aspects physico-chimiques ne sont pas d´evelopp´es dans ce travail.

Notre ´etude repose principalement sur l’analyse en laboratoire et sur ouvrage r´eel du com-portement m´ecanique en fatigue de collage. Le programme de recherche adopt´e est d´ecrit par l’enchaˆınement suivant :

– la d´efinition du contexte scientifique de l’´etude au travers d’une analyse g´en´erale du collage ; – le recueil et la synth`ese des donn´ees disponibles sur le collage blanc sur noir `a partir d’´etudes

ant´erieures ;

– la d´efinition du probl`eme m´ecanique `a traiter `a partir de la pr´ec´edente synth`ese ; – la conception d’un essai original de laboratoire r´epondant au probl`eme pos´e ;

– la d´etermination d’un crit`ere de rupture de l’interface en fatigue `a partir de campagnes exp´erimentales ;

– la r´ealisation d’essais `a grande ´echelle (sur route nationale et chauss´ee exp´erimentale) pour valider ce crit`ere sur des structures de chauss´ee.

L’ensemble de l’´etude s’appuie sur l’utilisation de mod´elisations adapt´ees `a l’analyse m´ecanique de l’essai de laboratoire, ainsi que sur l’am´elioration d’une m´ethode d’auscultation non destructive de la chauss´ee pour ´etudier le comportement des essais `a grande ´echelle.

Analyse du probl`

eme de collage

Le chapitre pr´ec´edent a montr´e que le collage entre b´eton hydraulique et mat´eriaux bitumineux est la clef de voˆute d’un nouvel essor des techniques de chauss´ee en b´eton. Plus pr´ecis´ement, la durabilit´e d’une telle chauss´ee est intimement li´ee `a la durabilit´e m´ecanique du collage blanc sur noir.

Dans ce chapitre, on aborde le probl`eme de collage dans un cadre g´en´eral. Dans un premier temps, on d´efinit les notions d’adh´esion et d’adh´erence, la premi`ere d´ecrivant la nature des liaisons entre deux corps, la deuxi`eme rendant compte des efforts `a d´evelopper pour rompre le collage. Dans le but de tester m´ecaniquement l’interface blanc sur noir, on pr´esente finalement une revue des essais m´ecaniques de laboratoire existant, comme moyens de mesure de la performance d’un collage.

2.1

Adh´

esion et adh´

erence

La norme NF T 76-001 de 1981 d´efinit l’adh´esion comme un ph´enom`ene chimique, physique ou physico-chimique qui produit l’adh´erence. Plusieurs th´eories ont ´et´e ´emises pour mieux comprendre les m´ecanismes ´el´ementaires de l’adh´esion. Selon Couvrat [Couvrat, 1992], nous pouvons aborder l’adh´esion en suivant principalement deux approches :

– une approche physique pour expliquer la nature des liaisons s’´etablissant entre deux surfaces de natures diff´erentes ;

– une approche thermodynamique pour expliquer comment les liaisons peuvent s’´etablir. Ceci am`ene `a introduire la notion de mouillabilit´e. On souligne ici la diff´erence entre adh´esion et adh´erence.

Lorsqu’on souhaite rompre les forces d’attraction (adh´esion) entre deux solides, il est n´ecessaire de fournir une quantit´e d’´energie sup´erieure `a l’´energie d’adh´esion. On mesure alors le r´esultat de la rupture des forces d’adh´esion et la dissipation d’´energie dans les solides, ce que l’on nomme adh´erence [Maugis, 1997].

Les diff´erentes th´eories de l’adh´esion, ainsi que la distinction entre adh´esion et adh´erence sont d´evelopp´ees dans les paragraphes suivants.

2.1.1

L’approche physique

L’adh´esion peut ˆetre consid´er´ee comme le produit d’un ensemble de m´ecanismes physiques : ancrage m´ecanique, liaisons chimiques, forces ´electrostatiques, forces dipolaires, forces de Van der Waals. . . On expose ici les principaux m´ecanismes physiques responsables de l’adh´esion.

2.1.1.1 La th´eorie m´ecanique

L’un des premiers mod`eles utilis´es, d`es 1925 par Mac Bain et Hopkins, pour rendre compte de l’adh´esion durable entre deux solides est l’ancrage m´ecanique qui r´esulte de la p´en´etration par capillarit´e de la colle liquide dans les pores et entre les asp´erit´es des surfaces en contact, et de la solidification ult´erieure de cette colle [Barquins et Fadel, 1999].

L’augmentation de la surface r´eelle de contact, quantifi´ee par la rugosit´e, et l’accroissement concomitant du nombre de liaisons interfaciales permettent d’expliquer la forte adh´esion constat´ee et l’accroissement de la r´esistance au cisaillement du joint dans le plan de l’interface. Encore faut-il, comme on le sait aujourd’hui, que la colle ”mouille” le plus parfaitement possible les surfaces `a r´eunir, afin de ne pas pi´eger des bulles d’air au fond des porosit´es. Ce concept de mouillage sera examin´e ult´erieurement. Il est toutefois utile et important de remarquer que l’´evocation pr´ecoce de cette notion de mouillabilit´e traduit le fait que certains mod`eles de l’adh´esion sont, entre eux, plutˆot compl´ementaires que contradictoires.

2.1.1.2 La th´eorie ´electrostatique

La th´eorie ´electrostatique, d´evelopp´ee `a l’initiative de Deryagin et Krotova de l’´Ecole Russe `a partir de 1948, rend compte du contact de deux mat´eriaux de natures diff´erentes. Elle fut formul´ee suite `a l’observation d’´emissions d’´electrons rapides lorsqu’un contact est rompu sous vide ou lors de la fracture d’un cristal. Elle conduit `a un remarquable accord entre les valeurs th´eoriques et les valeurs mesur´ees m´ecaniquement par un test de pelage, mais ne s’applique que dans des cas tr`es rares [Barquins et Fadel, 1999].

Cette th´eorie est bas´ee sur le transfert de charges ´electriques lors du contact et le r´eajustement des niveaux de Fermi [P´erez et al., 1996], processus qui conduit en g´en´eral `a la formation d’une double couche ´electrique `a l’interface, laquelle peut ˆetre assimil´ee aux deux plaques d’un condensa-teur plan. Bien que ce mod`ele, bas´e sur les attractions ´electrostatiques, rende parfaitement compte de la coh´esion d’assemblages verre-polym`ere tels que verre-caoutchouc et verre-chlorure de po-lyvinyle, il ne s’applique pas `a d’autres interfaces, toutes aussi usuelles, telles que verre-d´epˆots m´etalliques divers, de sorte que l’on a tendance aujourd’hui `a consid´erer que les ph´enom`enes ´electriques, lorsqu’ils sont observ´es, sont plutˆot l’effet que la cause de l’adh´esion constat´ee.

2.1.1.3 La th´eorie de la diffusion

Cette th´eorie, propos´ee par Voyustkii de l’´Ecole Russe dans les ann´ees 1950, permet d’expli-quer les ph´enom`enes de cicatrisation observ´es avec les polym`eres fractur´es ou fissur´es [Barquins et Fadel, 1999]. L’adh´esion est alors expliqu´ee comme un enchevˆetrement de macromol´ecules de deux mat´eriaux r´esultant de l’interdiffusion des couches du substrat et de la colle. La zone de transition ainsi cr´e´ee est appel´ee interphase ou interface ´epaisse. Les m´ecanismes fondamentaux de diffusion

des macromol´ecules ont ´et´e d´ecrits et analys´es par Pierre-Gilles de Gennes, prix Nobel de physique en 1991, en utilisant le concept de reptation, le temps de relaxation associ´e `a la reptation d’une chaˆıne variant comme le cube de la masse mol´eculaire du polym`ere.

Cette th´eorie suppose une solubilit´e mutuelle des deux mat´eriaux et ne s’applique que dans peu de cas.

2.1.1.4 La th´eorie de Bekerman

Dans les ann´ees 1960, l’am´ericain Bekerman ´emit l’hypoth`ese de la formation au voisinage de l’interface d’une zone, l’interphase, caract´eris´ee par une coh´esion diff´erente de celles des deux mat´eriaux en pr´esence [Barquins et Fadel, 1999].

Dans le cas d’une forte coh´esion, une rupture ne peut se produire qu’`a l’int´erieur de l’un des solides ; au contraire, une rupture dans la zone de transition interfaciale traduit une faible coh´esion. Ce mod`ele d’interphase, `a forte ou faible coh´esion, n’a pas la pr´etention d’expliquer les m´ecanismes de l’adh´esion ; par contre, il propose d’attirer une attention tout `a fait particuli`ere sur la nature de l’interface lorsque l’on affine l’´echelle d’observation, du microm`etre au nanom`etre, c’est-`a-dire `a la dimension de la mol´ecule.

2.1.1.5 La th´eorie de l’adsorption thermodynamique

Des forces intermol´eculaires de type Van Der Waals ou liaison hydrog`ene (distance d’interaction de l’ordre de 3 `a 5 ˚A) fixent l’adh´esif `a l’´etat liquide sur la surface du solide [Couvrat, 1992]. Selon cette th´eorie, il faut que le contact soit parfait entre le solide et l’adh´esif pour avoir une bonne adh´esion.

Dans une atmosph`ere ordinaire, l’air ambiant par exemple, les forces les plus intenses, qui sont `a tr`es court rayon d’action, sont ´ecrant´ees par les films d’oxyde, les couches de mol´ecules adsorb´ees et toute contamination ext´erieure pr´esents sur la surface expos´ee. Les force de de Van Der Waals sont de plus faible intensit´e mais pr´esentent un plus grand rayon d’action. Leur contribution, dans une atmosph`ere ordinaire devient pr´epond´erante. Si l’on ´elimine la contamination atmosph´erique, les couches d’oxyde peuvent alors r´eagir par des liaisons polaires coordinantes, appel´ees aussi liaisons donneur-accepteur ou encore liaisons acide-base, ou par des liaisons ioniques plus intenses.

2.1.1.6 La th´eorie de la liaison chimique

Si l’interface est le si`ege de r´eactions chimiques cr´eant des liaisons solides de types covalent ou ionique, qui conf`erent `a l’assemblage une grande r´esistance `a la rupture, on parle de mod`ele chimique. L’efficacit´e d’un couplage chimique varie ´etroitement avec deux param`etres : le nombre des liaisons interfaciales et la longueur des chaˆınons assurant le couplage.

2.1.2

L’approche thermodynamique (´

energie d’adh´

esion de Dupr´

e)

La coh´esion d’un corps est assur´ee par l’existence de forces qui agissent en son sein. Chaque mol´ecule est soumise `a des interactions avec toutes ses plus proches voisines de sorte que la r´esultante des interactions est nulle. Par contre, `a la surface, une mol´ecule se trouve soumise `a une r´esultante non nulle dirig´ee vers l’int´erieur et qui tend `a r´eduire la surface. C’est la raison pour laquelle,

lorsque l’on approche deux solides l’un de l’autre, des forces d’attraction mol´eculaire se manifestent avant mˆeme que le contact soit ´etabli et augmentent jusqu’`a la r´ealisation du contact. Ces forces viennent s’ajouter aux efforts ext´erieurs, de la mˆeme mani`ere que le champ magn´etique accroˆıt la pression d’appui d’un aimant pos´e sur un substrat en fer doux.

Les forces d’attraction mol´eculaire ont une intensit´e qui d´epend de la nature des liaisons assurant la coh´esion des mat´eriaux. L’´energie superficielle γ repr´esente le travail `a effectuer pour s´eparer, de mani`ere isotherme et r´eversible, deux parties du solide suivant un plan imaginaire de surface unitaire, en coupant les liaisons rencontr´ees. Cette ´energie s’exprime en joule par m`etre carr´e (J.m−2).

Il existe une d´efinition similaire pour rendre compte de la s´eparation de deux solides diff´erents 1 et 2 pr´ealablement r´eunis : c’est l’´energie d’adh´esion de Dupr´e (1969), ou travail thermodynamique d’adh´esion [Barquins et Fadel, 1999], not´e ED. Son calcul est simple : il faut d´epenser l’´energie γ₁

pour cr´eer un ´el´ement unitaire de surface du corps 1 et l’´energie γ2 pour cr´eer un ´el´ement unitaire

de surface du corps 2, et l’on r´ecup`ere l’´energie interfaciale γ12 emmagasin´ee `a l’interface lors de la

mise en contact (2.1). C’est l’´energie de Dupr´e qui est responsable du maintien en place de deux corps r´eunis dans un assemblage et qui assure leur contact intime.

ED = γ₁+ γ_{2− γ12} (2.1)

Cette ´energie prend une forme l´eg`erement diff´erente (2.2) lorsqu’on s’int´eresse `a un contact liquide solide. Le crit`ere de bonne adh´esion est alors essentiellement un crit`ere de mouillabilit´e. La mouillabilit´e est d´efinie par l’angle de raccordement qu’une goutte de liquide pos´ee sur une surface min´erale fait avec cette surface (figure 2.1).

Fig. _{2.1 – D´efinition de l’angle de mouillage}

ED = γL(1 + cos(θSL)) (2.2)

o`u γL est la tension superficielle du liquide et θSL est l’angle de contact solide liquide ou angle de

mouillage.

Le calcul ou la mesure de la force d’attraction (que l’on peut appeler force d’adh´esion) en fonction de la distance des solides que l’on rapproche, ne permet pas d’en d´eduire la force qu’il faut appliquer pour s´eparer les corps une fois le contact ´etabli. On mesure le r´esultat de la s´eparation des ´el´ements coll´es, ce que D. Maugis propose de nommer adh´erence [Maugis, 1997]. En effet, cette force de s´eparation d´epend d’un grand nombre de comportements m´ecaniques et de param`etres environnementaux tels que d´eformations ´elastique, visco´elastique ou plastique des solides en contact, vitesse de rupture, caract´eristiques m´ecaniques de l’appareil de mesure de la force, pr´esence de contaminants, temp´erature et hygrom´etrie ambiantes, etc.

2.1.3

Le mod`

ele du facteur dissipatif

Ce dernier mod`ele, concerne plutˆot l’adh´erence que l’adh´esion dans le sens o`u il fait intervenir la notion de rupture de l’assemblage coll´e. Il s’agit du mod`ele du facteur dissipatif [Barquins et Fadel, 1999]. Lorsqu’une fissure se propage dans un mat´eriau ou `a l’interface d’un joint adh´esif, le bilan des ´energies mises en jeu peut ˆetre ´ecrit sous la forme simple suivante : G = Γ ×Φ , expression dans laquelle l’´energie de rupture G est ´egale au produit de l’´energie de surface (Γ) par le facteur de dissipation irr´eversible en volume (Φ) lequel r´esulte essentiellement des pertes visqueuses pour les polym`eres.

Ce mod`ele permet de comprendre qu’un joint adh´esif pr´esente la mˆeme adh´erence si l’adh´esion (Γ) est faible avec une colle pr´esentant une viscosit´e (Φ) importante ou si l’adh´esion est forte avec une viscosit´e peu marqu´ee, le param`etre de contrˆole ´etant pr´ecis´ement le produit Γ × Φ . Ainsi, si la pˆate `a modeler pr´esente un aspect collant et l´eg`erement poisseux au toucher, malgr´e sa faible adh´esion, c’est parce que la viscosit´e de la pˆate est essentiellement responsable de la sensation tactile ´eprouv´ee [Barquins et Fadel, 1999].

Ce mod`ele permet ´egalement de comprendre pourquoi (par d´eformation de la colle ou d’un des corps en contact) il faut d´epenser, pour rompre un assemblage coll´e, une ´energie ´enorme au moins 10000 fois sup´erieure `a l’´energie correspondant aux forces attractives entre les mol´ecules. Un autre m´ecanisme, qui amplifie cet effet, est mis en ´evidence par le fran¸cais Ludwick Leibler, qui consiste en un ”effet ventouse” cr´e´e par de minuscules bulles d’air au sein de l’adh´esif [F`evre, 1999]. Ce ph´enom`ene peut ˆetre ais´ement visualis´e avec du chewing-gum.

2.2

Essais de caract´

erisation m´

ecanique du collage

Du point de vue de l’ing´enieur, le dimensionnement d’une structure coll´ee n´ecessite la connais-sance de caract´eristiques m´ecaniques du collage en lien avec les sollicitations auquel il est soumis : traction, compression, cisaillement, clivage (s´eparation des constituants rigides d’un assemblage par application d’un effort `a leur extr´emit´e selon une direction sensiblement perpendiculaire au plan de collage) ou pelage [Beghin, 2003] (s´eparation des constituants d’un assemblage, dont l’un au moins est souple, par application d’un effort `a l’extr´emit´e du support souple selon un angle compris entre 90˚ et 180˚ par rapport au plan de collage).

Dans la pratique, la r´esistance m´ecanique d’un collage est toujours ´evalu´ee dans un assemblage coll´e. D’apr`es la norme NF EN ISO 10365, on distingue deux types de rupture :

rupture de coh´esion (ou coh´esive) : rupture d’assemblage qui, `a l’oeil nu ou `a l’aide de tech-niques d’observation ou d’analyse appropri´ees, est localis´ee `a l’int´erieur du joint de colle ou au sein du substrat ;

rupture d’adh´esion (ou adh´esive) : rupture d’assemblage qui, `a l’oeil nu ou `a l’aide de tech-niques d’observation ou d’analyse appropri´ees, est localis´ee `a l’interface adh´esif/substrat. G´en´eralement, on distingue [Cognard, 1992] :

– la r´esistance `a la traction ; – la r´esistance au cisaillement ;

– la r´esistance au cisaillement en fluage : le glissement progressif des pi`eces coll´ees, l’une par rapport `a l’autre, soumises `a une force impos´ee ;

– la r´esistance au clivage ; – la r´esistance au pelage.

Nous pr´esenterons ici des essais sur des assemblages coll´es, issus de domaines d’applications divers permettant de mesurer l’adh´erence `a l’interface de structures multicouches. Les essais les plus simples `a mettre en œuvre sont des essais sous chargement monotone, ils sont pr´esent´es dans la section 2.2.1. La section 2.2.2 est consacr´ee aux essais de tenue en fatigue d’assemblages coll´es. Notre int´erˆet porte tout particuli`erement sur des essais adapt´es `a l’´etude du collage blanc sur noir, ce qui am`ene `a exclure certains principes d’essais inadapt´es comme l’essai de pelage.

Dans cette description des diff´erents essais, l’analyse des champs de contraintes `a l’interface est men´ee, en ´elasticit´e lin´eaire isotrope, soit par des consid´erations de r´esistance des mat´eriaux ou plus finement par ´el´ements finis (`a l’aide du logiciel C´esar-LCPC). Elle s’int´eresse principalement `a la distribution des champs de contraintes normale et de cisaillement repr´esent´ees par le couple (σ,τ ) `a l’interface. Certaines applications num´eriques sont men´ees en consid´erant les mat´eriaux de notre ´etude d´ecrits dans la section 2.3.1.

2.2.1

Essais monotones

On pr´esente divers essais `a chargement monotone utilis´es pour la caract´erisation du collage de l’interface dans des structures multicouches. Les essais monotones sont couramment utilis´es, car ils sont rapides et g´en´eralement faciles `a mettre en œuvre. Suivant les sollicitations impos´ees `a l’interface, on rencontre des essais adapt´es soit `a des ´etudes en laboratoire, soit `a des ´etudes sur chantier.

L’analyse m´ecanique que l’on d´etaille ci-apr`es est bas´ee sur l’´etude d’une ´eprouvette cylindrique (diam`etre φ = 100 mm hauteur h = 200 mm) avec une interface situ´ee `a mi-hauteur.

2.2.1.1 Essai de traction directe

L’objectif de cet essai est de g´en´erer principalement des contraintes de traction `a l’interface. Le principe, illustr´e figure 2.2, est utilis´e dans de nombreux domaines ; il consiste `a mettre en traction une ´eprouvette bimat´eriaux positionn´ee avec l’interface de collage orthogonale `a la direction de traction. C’est l’un des premiers essais que la profession a utilis´e pour mesurer l’adh´erence sous chargement monotone entre le b´eton et l’enrob´e sur des chauss´ees r´ehabilit´ees par la technique du BCMC.

Ce principe d’essai est utilis´e aussi bien en laboratoire que sur chantier. Diff´erents dispositifs exp´erimentaux sont d´ecrits dans la litt´erature [Berthier, 1968], [Knab et Spring, 1989], [Pan, 1995] et [Noda et al., 1998]. La figure 2.2 pr´esente un dispositif pour chaque cas.

Matériau bitumineux Béton de ciment

σ0

σ0

Fig. _{2.2 – Sch´ema et exemples de dispositifs in situ [Knab et Spring, 1989] et en laboratoire [Noda} et al., 1998] de l’essai de traction directe.

Si la rupture est observ´ee `a l’interface, la contrainte `a la rupture correspondant `a la r´esistance `a l’arrachement du collage s’obtient en divisant la force appliqu´ee `a la rupture F par la surface ´eprouv´ee S. Au premier ordre cette contrainte est homog´en´eis´ee sur la section. Lorsque la vitesse de chargement conduit `a une rupture brutale, l’analyse au premier ordre peut ˆetre adopt´ee.

Dans le cas contraire, une analyse plus fine, montre que des contraintes de cisaillement existent `a l’interface du fait du chargement, du comportement des mat´eriaux et de la continuit´e des d´eformations dans les plans orthogonaux `a l’axe de r´evolution de l’´eprouvette cylindrique. Ces effets sont pr´esent´es sur les sch´emas de la figure 2.3. On constate en effet que le collage empˆeche les

F F déformations transversales libres déformations transversales bridées

cisaillement parasite à l'interface

τ contrainte de cisaillementτ à l'interface -φ/2 +φ/2 matériaux bitumineux béton de ciment

Fig. _{2.3 – Sch´emas de l’analyse m´ecanique au 2}eme

ordre de l’essai de traction directe

d´eformations libres `a l’interface, et de ce fait, les d´eformations ´etant brid´ees (on peut dire qu’il y a frettage), on voit classiquement apparaˆıtre des contraintes de cisaillement `a l’interface, distribu´ees selon le diagramme de la figure 2.3 (τ = 0 au centre par sym´etrie de r´evolution et aux bords par conditions au limites).