Les ouvrages de travaux publics
sont essentiellement constitués de béton, d’aciers, avec
différents revêtements de chaussées : liants hydrocarbonés principalement.
Le béton est un matériau vivant
qui subit des déformations, d’une part lors de la prise du ciment
(retrait), d’autre part pendant toute la durée de vie de l’ouvrage
lorsqu’il subit différentes contraintes :
variations dimensionnelles,
déplacement et mouvements divers étudiés ci-après.
Variations
dimensionnelles thermiques et hygrométriques, journalières et
saisonnières :
La variation de longueur en
fonction de la température d’une structure sans contrainte est
calculée par la formule : voir l'article de dilatation (
Déformations
différées du béton : retrait et fluage :
Le retrait dépend de l’âge
du béton, de sa composition, du rapport E/C (E eau,
C ciment), des formes et de l’épaisseur des pièces et des conditions climatiques. Il se
traduit par un raccourcissement de 2 à 3×10−4. Le fluage est la
déformation différée du béton sous une charge fixe indéfiniment appliquée.
Action des
charges d’exploitation :
Elles provoquent :
— des mouvements horizontaux, par
exemple pour les ponts sous l’effet du freinage, du vent
et par des rotations des sections d’about, la mise en eau des
barrages, des réservoirs ou des canalisations, etc. ;
— des battements verticaux des
dalles routières sous l’effet du trafic lourd. Toutes les structures sont
déformables et les matériaux sont caractérisés par un module de
déformation :
- Pour le béton E = 10 000 à 35 000 MPa selon l’âge du béton, la durée d’application;
- Pour l’acier E = 210 000 MPa;
- Pour le bois E = 10 000 à 15 000 MPa en compression axiale selon la nature du bois.
Tassement des
sols :
Ils concernent tous types
d’ouvrages, bâtiments, routes, ponts, tunnels.
Mouvements
anormaux de la structure,
par exemple pour les ponts : rotation de dalle
de transition ou de culée et tassements des appareils d’appui, inondations
pour les chaussées, tremblements de terre... Le concepteur des joints devra donc
tenir compte de tous ces mouvements combinés, qui se font dans les trois axes
de l’espace.
Nécessité des
joints dans les ouvrages en béton :
Pour faire face aux déformations
auxquelles est soumis le béton, il convient donc de
ménager des joints et de s’assurer de leur fonctionnement tout au long
de la vie de l’ouvrage. Cela ne peut être obtenu qu’en
prévenant l’introduction dans le joint d’éléments rigides
susceptibles d’entraver son
mouvement : graviers, par
exemple. Ces derniers occasionnent en effet le blocage du joint et
créent une zone de rétention préférentielle exposée au gel. Pour pallier ce problème, il
convient donc de calfeutrer le joint grâce à un matériau souple, ou à
un système de jointoiement dont l’adhérence au support et
l’élasticité sont adaptées aux mouvements prévisibles du joint.
Tous les joints doivent être garnis. Le choix du système de
calfeutrement est de plus lié aux diverses fonctions que le joint
doit être capable d’assurer, par exemple :
— L’étanchéité à l’eau ;
— La résistance chimique (égouts,
bassins de décantation) ;
— La continuité de la surface de
roulement (dans le cas des chaussées, la surface doit être unie) ;
— La très forte déformation (cas du joint périmétral des barrages en enrochement à masque en béton, par exemple).
Principaux types
de joints :
Les principaux types de joints
rencontrés dans les ouvrages sont les suivants :
- Joints de retrait : ils préviennent la fissuration du béton lors de son durcissement et de son retrait dans le temps ;
- Joints de dilatation : ils permettent le libre mouvement des éléments vis-à-vis des variations de la température ;
- Joints de construction : ils correspondent aux reprises de bétonnage d’un béton frais sur un béton durci ;
- Joints de rupture ou de tassement : ils correspondent à la jonction d’ouvrages chargés inégalement pouvant entraîner des tassements différentiels du sol.
Calcul et dimensionnement des joints des chaussées en béton :
Considérations générales :
probabilités
de mouvements
Les dalles routières
sont en contact au-dessus avec l’air ambiant dont la température
varie, et au-dessous avec la fondation et le sol dont la température
est différente et fluctue moins. Par ailleurs, la
friction sur le support réduit les possibilités de mouvement thermique. Enfin, on ne peut pas
calculer chaque joint de dalle individuellement et on se
borne donc à calculer les mouvements moyens.
Exemple : si un
revêtement de chaussée comporte 100 joints transversaux
au km, équidistants de 10 m, le joint no 69 peut être fixe, pour
diverses raisons ; il en résultera que les joints 68 et 70 devront s’accommoder
de la fixité du joint 69, et on peut penser que les autres joints
auront eux aussi des variations dimensionnelles plus ou moins aléatoires.
Si on
mesure donc les largeurs de tous ces joints en hiver puis en été, on
trouvera donc des valeurs qui iront de 0 jusqu’au double de la
valeur moyenne, voire davantage. On peut
donc penser que la variation dimensionnelle des joints suivra
une courbe normale de Gauss. Si la
largeur minimale du joint est de Lmin =10mm, étant donné une
variation dimensionnelle moyenne de 4mm avec une déviation
standard S de 1,3mm, on
cherche la limite maximale ∆Lmax telle que la probabilité d’expansion au-delà
de cette valeur soit
par exemple de 5%.
Les
tables de probabilités donnent alors ∆Lmax =5,8mm, pour laquelle
5% des joints bougeront de plus de 5,8 mm. Une
recherche similaire montre que 1 joint sur 100 bougera de plus de
7mm, et 1 joint sur 1 000 de plus de 7,9mm. Si on
exigeait alors que 999 joints sur 1 000 soient parfaitement scellés
et étanches, il faudrait un mastic de jointoiement qui supporte un
allongement de 10 mm jusqu’à 10 + 7,9 = 17,9mm, soit 79% d’allongement,
ce qui est beaucoup trop exigeant avec les meilleurs mastics
du marché. Il
faudra donc être moins exigeant et par exemple demander un joint
qui ne supporte que 5,8 mm d’allongement, soit 60% d’allongement, ce qui
est déjà à peine possible avec les meilleurs mastics (élastomères, silicones),
et cela entraînera que 5% des joints casseront. De tels
allongements sont impossibles avec les mastics bitumineux coulés à
chaud, utilisés traditionnellement pour les joints routiers. Une
autre solution est d’élargir la largeur initiale du joint par exemple
en la portant à 20mm : l’allongement de 5,8mm, soit 29%,
sera alors plus tolérable, par exemple avec des mastics élastomères, et donc avec 95 joints sur
100.
L’analyse
précédente est simplifiée car en réalité, comme nous l’avons vu, les
joints subissent des variations dimensionnelles dans les trois
dimensions).
Calcul
pratique et dimensionnement des joints :
- Si la largeur du joint est élevée par exemple supérieure à 50mm, l’extension du joint est inférieure à 10%, la déformation de la surface du mastic en tension sera approximativement la même que l’extension du joint. Le mastic sera peu déformé et l’expérimentation indique que de nombreux mastics donneront un bon joint, s’ils ont une bonne adhérence sur les lèvres. Les mastics de classe I coulés à chaud bitumineux conviendront ;
- Si l’extension du joint atteint 30%, la déformation de surface, pour un joint de même profondeur que sa largeur sera de 50%. D’après l’expérimentation, cela apparaît comme une limite pour les mastics de classe II présentant une bonne adhérence sur les lèvres, une bonne reprise élastique et une élongation maximale de service de type élastomères. À noter aussi que dans ce cas, des pollutions diverses (cailloux, eau) s’accumuleront dans la cuvette formée au-dessus du mastic en extension, ce qui pourra produire des désordres, avant même d’atteindre les 50% ;
- Les joints élastomères comprimés de la classe III sont intéressants quand on prévoit des mouvements importants : entre 30 et 70% d’extension. La limite supérieure vient du fait qu’ils contiennent un maximum de 70% de vides et ne peuvent donc pas subir de variations dimensionnelles supérieures à 70% environ ;
- La classe IV est hypothétique : elle correspond à des mastics à hautes performances qui supportent sans problèmes des extensions très importantes, tels les silicones ou polyuréthanes, mais qui sont beaucoup moins utilisés en travaux publics que les asphaltes modifiés coulés à chaud, car ils sont beaucoup plus onéreux, surtout pour des joints très larges, donc guère acceptables sur le plan économique. Ils ne représentent actuellement que 5% des joints routiers. De plus, nous avons vu pour le bâtiment que même si les très bons mastics élastomères (silicone ou PU) supportent 200% d’allongement à la rupture, en pratique on ne les fait travailler qu’à ±25% ou ±40% afin de se ménager un coefficient de sécurité.
Calcul à partir
du coefficient de dilatation :
Dans le cas où on ne dispose pas
d’informations sur les mouvements moyens des joints et sur la
déviation standard, on peut cependant les calculer à partir des coefficients
de dilatation.
Exemple :
pour une dalle
béton de 10 m de longueur, avec un coefficient de
dilatation du béton
α =
0,6 × 10−5/°F
soit 10−5/°C
et une différence de
température maximale entre été et hiver de 90°F soit 50°C, si
on désire avoir des joints de 0,375 inches soit 10 mm environ, cela entraînera un
allongement maximal de 69%.
Caractéristiques des produits de calfeutrement :
Nous donnons ci-après la liste des caractéristiques qui sont
utiles à connaître pour les produits de calfeutrement destinés aux
travaux publics et
quelques définitions.
Caractéristiques
de mise en œuvre :
- Matériaux sur lesquels adhérer :
- Préparation des surfaces :
Les bétons doivent
être débarrassés des pollutions, des parties non adhérentes
(laitance du ciment...), des huiles de décoffrage... Les aciers doivent
aussi être débarrassés de la rouille, par grenouillage ou grattage puis
doivent être traités soit par traitement chimique, soit par des
primaires en général à base de résines époxydes, afin
d’augmenter l’adhérence des mastics d’étanchéité.
- Température et humidité lors du travail :
Il faut
éviter le gel et l’humidité à la surface des matériaux qui empêcherait
l’adhérence, et de plus il faut appliquer les produits de calfeutrement à des
températures moyennes, de façon que le joint ait une largeur
moyenne. En effet, si on les applique en été, lorsque les matériaux sont dilatés, le joint se trouve rétréci, et si on les applique en hiver le joint est
élargi, donc dans ces deux cas le produit d’étanchéité sera
ensuite trop sollicité soit en allongement soit en compression,
éventuellement au-delà de ses possibilités.
Types de produits de calfeutrement :
Un petit nombre de produits (silicones, polyuréthanes) sont
communs aux deux métiers TP et Bâtiment.
Nous donnons ci-après la liste des produits qui sont utilisés dans les TP, et nous étudions certains types qui ne sont utilisés que
pour les TP (asphaltiques, bitumineux et plastisols coulés à chaud).
Mastics asphaltiques, bitumineux non modifiés et modifiés :
Ce sont
les mastics les plus utilisés dans les travaux publics, du fait de
leur bas prix – environ 0,75€/kg en 2002 pour un mastic asphaltique
ou bitumineux et 1€/kg pour un
asphalte modifié élastomère, ce qui
justifie leur utilisation en fortes sections. Ils
sont coulés à chaud, à partir de fondoirs, à 150-200°C et se solidifient en
quelques minutes, par refroidissement. Les
élastomères ajoutés augmentent à la fois l’allongement possible et la
durabilité, ainsi que le prix. Ces
mastics fluent à chaud à partir de 40°C. Ces quatre familles constituent
ensemble environ 88% de la consommation de joints routiers
et aérodromes. À eux seuls les mastics asphaltiques modifiés élastomères
en constituent 85%. Ces
produits sont utilisés pour le calfeutrement de revêtements en
béton hydraulique et en béton bitumineux : chaussées routières. Les
mastics asphaltiques-élastomères font l’objet des normes américaines
ASTM D3405 et norme fédérale SS-S 1401B. Ils ne résistent
évidemment pas au kérosène ni au souffle chaud des réacteurs.
1- Plastisols PVC/brai :
Ce sont
des mélanges monocomposants, coulés à chaud, à environ 150°C,
de plastisols PVC (polychlorure de vinyle) et de brai. Ils
sont un peu plus chers (1,5 à 2€/kg) et plus performants que
les
asphaltes modifiés élastomères. En
particulier, ils résistent au kérosène, mais pas au souffle chaud des
réacteurs. Leur
durabilité est de 10ans environ. Ils satisfont à la norme américaine SS-S
1614. Ils supportent des élongations maximales de service de
l’ordre de 10 à 15%. Aux
USA, ils représentent 5% du marché des mastics de calfeutrement pour
les routes et pistes d’aérodromes.
Ils
sont utilisés pour les pistes aviation, les parkings, les gares routières.
2- Silicones :
On
utilise surtout des silicones monocomposants, faisant leur prise
sous l’action de l’humidité de l’air, et à bas module. Aux USA
et en Europe, ils constituent près de 5% du marché des joints
routiers et aéronautiques, malgré leur prix élevé (4€/kg) car ils ont
une application facile, une excellente durabilité, une grande élongation
et un bas module qui permettent de les utiliser sous une faible
largeur, mais ils ne résistent pas très bien au kérosène qui peut
provoquer leur gonflement. Des silicones à deux composants tels le
Dow Corning 902 RCS sont
aussi utilisés pour les routes, ponts et pistes d’aérodromes. Ils présentent
de bonnes performances de service, mais un prix élevé (4 €/kg). Grâce à
leurs possibilités d’élongation importante (25 à 40%), les silicones
sont parfois utilisés pour les joints de ponts où les mastics base asphalte sont
proscrits du fait de leur très faible élongation.
3- Polyuréthane/brai :
Ce sont
des mastics à base de polyuréthane modifié par ajout de brai
pour en abaisser le prix et utilisé avec un durcisseur. Ils sont très
performants, bien qu’à un prix acceptable 3€/kg. Ils offrent une bonne
résistance au kérosène et au souffle chaud des réacteurs. Ils satisfont
à la norme américaine fédérale SS-S 200 E. Leur marché est
modeste : seulement 1 % du marché total des mastics routes et aérodromes,
mais croît rapidement. Ils sont préférés pour les pistes d’aviation. Ils
supportent des élongations maximales de service de 10 à 15% et des températures de services de − 35 à + 90°C. Les
polyuréthanes purs sont encore très peu utilisés en travaux publics,
car onéreux (6€/kg).
4- Polysulfures/brai :
Il
s’agit d’un très petit marché. Les polysulfures à deux composants sont
utilisés pour les pistes d’aviation, et les aires de stationnement d’avions,
grâce à leur résistance au fuel aviation. Ils satisfont à la
norme US fédérale SS-S 200 E. Leur prix moyen est de 6€/kg. Les
autres mastics de calfeutrement cités pour le bâtiment (acryliques, butyles...)
(cf. [C 3 660] et suivants, réf. [21]) ne sont jamais utilisés dans
les travaux publics, en raison de certaines insuffisances (retrait
au séchage, rapports performances/prix trop faibles...). 4.6 Produits rigides : époxydes, époxy-polysulfures Ces
produits de calfeutrement sont rigides et ne sont utilisés en travaux
publics que pour :
- Le collage des voussoirs préfabriqués de ponts et tunnels;
- Des coulis très fluides d’injection pour solidariser des plots de béton dans la construction de barrages ;
- Des scellements de câbles ou barres d’acier dans le béton. Ce sont des produits à deux composants durcissant à température ambiante, entre + 6 et + 35°C. Leur prix est de 3€/kg (pour des produits contenant des charges minérales).
5- Profilés élastomères :
Lorsqu’on
doit obturer des joints très larges (de 2 à 15cm) et dont les
profils sont bien définis, bien parallèles, on utilise des profilés en caoutchouc
néoprène de différentes formes, Ces
profilés sont utilisés par exemple pour les joints de ponts, de dalles
préfabriquées, et nous les étudierons en détail en [C 5 461, § 3]. Ils
satisfont par exemple à la norme ASTM D3542. Ils
sont en général installés en compression entre les rives du joint
et leur largeur doit être alors du double de la largeur moyenne du joint. Ils
peuvent être fixés sur les rives du joint avec un adhésif (à base de
néoprène) et sont faciles à installer. Cet
adhésif, qui joue aussi le rôle de lubrifiant, pour faciliter la mise en
place, pourra être testé selon la norme ASTM D4070. Ils
sont souvent assez coûteux : de 10€ le mètre linéaire en 5 cm de
large jusqu’à 60€ le mètre en 10cm de large.
6- Waterstops
ou bandes d’arrêt d’eau :
Dans
les grands ouvrages de travaux publics, on emploie des bandes
d’arrêt d’eau en PVC ou autre élastomère. Ces
bandes sont mises en place lors du coulage du béton : elles présentent
des renflements sur les bords et un tube de section circulaire au
centre. Les renflements sont destinés à assurer le calage dans la
masse du béton et l’ovoïde la souplesse, l’élasticité centrale. Le
retrait ultérieur des deux parties jointes en béton met la bande en tension, ce qui assure alors l’étanchéité.
7- Profilés et couvre joints métalliques et élastomères :
Ils
sont aussi utilisés pour le calfeutrement de joints situés entre des dalles
de très grandes dimensions (plus de 20m), comme dans les grands
bâtiments d’aéroports, les usines, les parkings.
8- Coulis et résines d’injection :
Ils
sont utilisés pour différentes raisons ou causes :
- Le tassement des sols et des fondations ;
- Le retrait du béton ;
- Les mouvements du gros œuvre, sous son poids ou sous séismes ;
- Les erreurs de construction provoquant des cavités à l’intérieur des structures ;
- La disparition de profilés par vieillissement. Il peut se produire des fissures, des vides ou cavités dans les ouvrages en béton, qu’il faut alors combler pour renforcer et étancher l’ouvrage, mais qui peuvent être inaccessibles. La solution est alors d’injecter un produit très fluide, ou coulis, qui pénétrera dans toutes les fissures et cavités et les bouchera lors de son durcissement ou de sa polymérisation.
Il
existe plusieurs types de produits :
- Les coulis de ciment : le ciment, très rigide après durcissement, ne permettra pas de mouvements relatifs ;
- Les résines époxydes (deux composants) : également rigides après polymérisation/réticulation, elles ne permettront pas de mouvements mais donneront des adhérences très élevées sur béton, métaux, roche, ce qui permet de consolider l’ouvrage en le rendant à nouveau monolithique ;
- Les résines polyuréthanes : selon les formulations, on peut obtenir alors des joints semi-rigides ou souples ou même des mousses de polyuréthane qui s’expanseront au contact de l’humidité contenue dans les matériaux ou dans les sols, bloquant alors complètement les cavités.