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Chaussées souples à durée de vie prolongée.
(structures de chaussées)
2e congrès annuel de Bitume QuébecBeaupré, le 24 mars 2006
Denis St-LaurentService des chaussées
Plan de la présentationIntroductionRévision des stratégies de conception des chaussées (période de conception)Compréhension des chaussées
Aspects mécaniques et cryogéniquesProgrès, implications et perspectivesOptimisation de la composition du revêtement
Application et coûtsConclusions – Recommandations
L'expérience acquiseCertaines chaussées ont des durées de vies écourtées malgré une mise en œuvre impeccable:Dégradations conduisant à une intervention majeure de la chaussée:
Fatigue;Orniérage structural;Gonflement et soulèvement au gel.
L'expérience acquiseD'autres chaussées sont mieux réussies et vieillissement mieux…
Points communs:Respect des normes:Bon comportement au gelBonne capacité portante de la fondationBonne épaisseur de revêtementBon suivi de la qualité durant les travauxBonne mise en œuvre
Autoroute 30 St-Constant
Autoroute 73 StonehamAutoroute 73 Stoneham(161 mm BB)
Autoroute 30 St-Constant (1993)Autoroute 73 Stoneham (1994)Route 132 Longueuil (1995)Route 155 St-Célestin (1998)
Cette présentation traite essentiellement de
Constructions neuves ou remises à neufs« remise à neuf » sous-entends que le revêtement fissuré est entièrement enlevé ou décohésionné et remplacé.
Concepts déjà existants et éprouvés:Revêtements bitumineux de forte épaisseur sur bonnes fondationsDistribution des contraintes en profondeurPlanage et resurfaçageUtilisé et éprouvé aux USA et en EuropeRelativement connu au Québec
ObjectifsLongue durée de vie
Minimiser les fissuresRalentir la vitesse de détériorationAugmenter de la durée de vie
Les dégradations doivent se limiter à la couche de surface
Pas de problèmes de gelPas de problèmes structurauxEntretiens mineurs (scellement de fissures, etc)Planage et resurfaçage
DéfinitionChaussée à longue durée de vie
viser 40 années ou plus sans bris « structural » majeurFondations parfaitement stablesRevêtement bitumineux minimum de 200 mm (en général)Couche de surface (35 à 75 mm) à renouveler aux 20 ans
Chaussée « perpétuelle »chaussée à longue durée de vie conçue de façon à
limiter les déformations mécaniques en dessous du seuils d’endommagement des matériaux :BB élongation < 65 µεmatériaux non-liés compression < 200 µεRevêtement bitumineux minimum de 320 mm (en général)
Conception des structures de chaussées 3 composantes essentielles …
RETRAIT THERM.Fissures transversales
STRUCTURALFissures de fatigue et ornières
GELSoulèvements différentiels et lézardes
Contexte québécois:
Sous-fondation ou isolation (épaisseur, type)
Rev + fondations (épaisseurs, type)
Rev (bitume, épaisseur)
3:
2:
1:
Pratique actuelle (1993- )Dimensionnement pour 15/20 ans
souci d’équilibrer la durée de vie structurale avec la durée de vie « climatique »
Suivi de couches d’usure ou de renforcement se répétant en cycles d’env. 10 ansLa chaussée est sévèrement détériorée au moment du ressurfaçage…
Déficience structurale (croissance du trafic lourd)Patron de fissuration qui remonte à travers les couches subséquentesComportement au gel parfois marginal
Distance (m)
1 hiver
Fissuration avant ressurfaçage
2 hivers3 hivers
Ressurfaçage RefissurationA-55 (1998): correction + c.u. (20 + 50 mm)
FAIT PROUVÉ POUR TOUS LES TYPES D’ENROBÉS: ils refissurentpresque immédiatement lorsqu’ils sont posés sur des fissures
Épaisseur de revêtement
75
100
125
150
175
200
225
250
275
300
1 10 100ECAS (en millions)
Épai
sseu
r (m
m)
zone nordzone sud
A
C
B
25 mm = 3,60$/m² (60$/t ) (28 000$/km)= double la durée de vie structurale
50 mm = quadruple…
5 20 40 2
CHAUSSÉES NEUVES :
Fissuration superficielle (Top-down cracking)Remarqué aux États-Unis et en Europe pour les revêtements initiaux > 200 mm
Implications importantes sur les modes d’entretien et de réhabilitation
Le phénomène existe aussi sur les revêtements épais du Québec
Aut 30 (La Prairie), Aut 73 (Stoneham), Route 132 (Longueuil)Plusieurs km sans FT après 10 ans fissures superficielles dans les zones de ségrégation
Aut 73, Stoneham Âge: 10 ansBB: 175 mmFissure : 50 mm (c. de surface)
2+969
Aut. 73, StonehamConstruction en 1994 (8,4 KM)Aucune fiss. transversale en 2004Carottages 2004
Revêtement 160 mm2004: Neuf fissures limitées à la couche de surface (35 à 45 mm). Et une de 90 mm, qui traverse la couche intermédiaire décollée de la couche de base.
Route 132, Longueuil
Reconstruction en 1995 (4 km)Une seule fissure transv. en 2004 (ponceau)
Carottages:Revêtement: 150 à 200 mm1999: Trois fissures de 5 à 18 mm de prof.2002: Deux fissures de 15 à 37 mm de prof.
0
100
200
300
400
500
600
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Âge du revêtement (années)
Fiss
ures
tran
sver
sale
s (n
ombr
e pa
r km
)
Classe PG non adéquate
Oxydées
Classe PG adéquate
BB
+25
+50+75
+100
Fissuration transversale Bénéfices des bitumes PG et des sur épaisseurs de BB
(tendances pour revêtements de 110 à 160 mm)Synthèse des suivis MTQ de 1992 à 2002
L’espacement entre les FT croît de 3,2 m pour chaque 25 mm de BB ajouté. (U.Waterloo, 1971-2000)
Situation actuelle(et opportunités)Les grades de performance (bitumes superpave) ont permis dans la pratique courante de doubler la durée de vie face au retrait thermique
Le temps requis pour avoir une FT aux 10 m tends aussi à doubler si on ajoute 50 mm de BB
La résistance au trafic lourd (fatigue-orniérage struct) double en terme de durée à chaque ajout de ≈20-25 mm de BB
Surcoût ≤ 5% pour doubler la durée de vie structuraleLes techniques de retraitement en place permettent cette remise àjour après décohésionnement.
Nous savons mieux comment restreindre les soulèvements au gel à un degré non-dommageable.
Mesure de gélivité (SP) et simulation numérique des soulèvements25 mm de polystyrène isole comme ≈ 600 mm de MG 112 au coût d’un sous-profil d’env. 175 mmLe rapport bénéfice coût d’un bon dimensionnement au gel est largement avantageux.
Un pavage épais qui ne fissure que dans la couche de surface peut être remis « à neuf » par planage+c.u. (sans refissurer)
Élongation (єt) à la basede l’enrobé bitumineux.
Fondation et Fondation et soussous--fondationfondation
Infrastructure
єt
Rupture de fatigue sous l’effet d’efforts de flexion répétés
єt
Infrastructure
Fondation et Fondation et soussous--fondationfondation
єt
Infrastructure
Fondation et Fondation et soussous--fondationfondation
єt
Infrastructure
Fondation et Fondation et soussous--fondationfondation
єt
Infrastructure
Fondation et Fondation et soussous--fondationfondation
єt
Infrastructure
Fondation et Fondation et soussous--fondationfondation
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
Autoroutes Nationales Régionales Collectrices
Fiss
urat
ion
long
itudi
nale
(% d
es lo
ngue
urs
de b
ande
s)
Bandes latérales et centraleBandes en traces de roues
0
50
100
150
200
250
300
350
0 50 100 150 200 250 300 350
Épaisseur du revêtement (mm)
Élon
gatio
n da
ns l'
enro
bé (µ
m/m
)
Base du revêtementBase de la couche intermédiaire
ECAS (8 tonnes)
Essieu légal (10 tonnes)
Zone sans fatigue
BB à 20 °CSans considération de l'affaiblissement dégel
Élongation du revêtement
0
50
100
150
200
250
300
350
0 50 100 150 200 250 300 350
Épaisseur du revêtement (mm)
Élon
gatio
n da
ns l'
enro
bé (µ
m/m
)
BB à 20 °CSans considération de l'affaiblissement dégel
Essieu légal
En dessous d’un certain seuil (≈65µε), il n’y a plus de phénomène de fatigue.
% f
issu
réen
fat
igue
0 50 100 150 200 250 300 350
BB (mm)
Revêtements fissurant par fatigue (AASHTO 2004, ensemble des données nord-américaines)
Simulations du soulèvement au gelRoute 161 Sts-Martyrs-Canadiens, hiver 1996
Gélivité SP indice de soulèvementmm²/°C·heure Δh / hgel
Négligeable < 0,5 < 0,01Faible 0,5 à 1,5 0,01 à 0,04Moyenne 1,5 à 3 0,04 à 0,08Élevée 3 à 8 0,08 à 0,20Très élevée > 8 > 0,2
Logiciel de prévision de la profondeur de gel et du soulèvement:
(CHAUSSÉE 2)
Mesure de la gélivité enlaboratoire
Échelle de gélivité:
89 mm
500
800
1100
1400
1700
2000
2300
2600
500 800 1100 1400 1700 2000 2300
Indice de gel (°C·jours)
Épai
sseu
r de
la c
haus
sée
(mm
)
protection partielle de la norme actuelle
Profondeurs de transition « P »
Sensibilité de la conception au gelNormes actuelles au MTQ
500
800
1100
1400
1700
2000
2300
2600
500 800 1100 1400 1700 2000 2300
Indice de gel (°C·jours)
Épai
sseu
r de
la c
haus
sée
(mm
)
Sol trè
s géli
f (SP =
11)
Sol gélif (SP = 5,5)
Soulè
vem
ent
(mm
): 100 80 50/1
00 8
0 5
0
protection partielle de la norme actuelle
Profondeurs de transition « P »
Sensibilité de la conception au gelSimulation des soulèvements
Soulèvements anticipés (IGn=1350°C·jrs)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
GC, GM [2
,0]GP, G
W [0,5]
SM ou S
C moin
s de 3
0 % de
fins [
2,0]
SP [0,5]
SW [0
,5]
Croûte
argile
use >
1 m [2
,0]
SM fin ou
SC fin
(Sr <
85%) [4
,0]CH (IL
< 0,9)
[0,5]
SM fin ou
SC fin
(Satu
ré) [4
,0]MH (IL
< 0,9)
[2,0]
CL ave
c Ip >
12 (IL
< 0,9)
[3,0]
CL ave
c Ip <
= 12 (
IL< 0,
9) [5,
0]
ML, ML-C
L (IL<
0,9)
[8,0]
Soul
èvem
ent (
mm
)
825 mm de MG 112525 mm de MG 112Seuil de soulèvement < 50 mm
Zones avec vieillissement accéléré (comportement
marginal)
IL < 0,9
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
GC, GM [2
,0]GP, G
W [0,5]
SM ou S
C moin
s de 3
0 % de
fins [
2,0]
SP [0,5]
SW [0
,5]
Croûte
argile
use >
1 m [2
,0]
SM fin ou
SC fin
(Sr <
85%) [4
,0]CH (IL
< 0,9)
[0,5]
SM fin ou
SC fin
(Satu
ré) [4
,0]MH (IL
< 0,9)
[2,0]
CL ave
c Ip >
12 (IL
< 0,9)
[3,0]
CL ave
c Ip <
= 12 (
IL< 0,
9) [5,
0]
ML, ML-C
L (IL<
0,9)
[8,0]
Sous
-fond
atio
n re
quis
e (m
m)
soulèvement < 40 - 50 mm
Isolant 25 mm
Isolant 38 mm
Norme actuelle
Sous-profils (contrôle du soulèvement )
Sous-profil700 mm
400 mm
(Fondation de 400 mm)
IL < 0,9
[Gélivité] À préciser avec sondages et sédimentométries
Isolant 25 mm
Isolant 38 mm
Sans isolant
Optimisation des sous-profilsNotion d’infrastructure améliorée
Profondeur variable, prescrite par le concepteur d’après la classe de sol située dans la zone d’influence du gel
Tolérer jusqu’à 15-20% de fines (<80µm) sous la sous-fondation « normale »
Conserver les plans de drainage « normaux »
Optimisation du revêtement
Effort maximum en tension
Fondation granulaire ou stabilisée
Enrobé ESG-5 résistant à lafatigue 25 à 35% de l’ép tot
Enrobé à moduleélevé et résistant àl'orniérage. Épaisseurselon le besoin
30 à 60 mm SMA-10, EG-10, ESG-10
}100 mmà
150 mm
Zonede compression
élevée
GB-20
75
100
125
150
175
200
225
250
275
300
1 10 100
ECAS (en millions)
Epai
sseu
r (m
m)
A
C
B
mm MPaBB Variable 4000/5000/4000MG 20 225 250MG 112 500 125Sol 4000 75
Vb (%) = 9 10 11 12
1314
15
Ajustements de l’épaisseur de revêtement(Sensibilité aux caractéristiques de l’enrobé)
1-Calculs avec la formule de fatigue del’Asphalt Institute (courbes bleu)
2-Calcul avec les essais sur ESG-5 (zone rouge)
Exemple de revêtement : Autoroute 185 (N.-D.-du-Portage à frontière N.-Brunswick (Dégelis)
20 ans23,7 M ECAS
215 mm
EB-20
EGA-1045 mm
EGA-1045 mm
EB-20 GB-20
EGA-1045 mm
ESG-560 mm
40 ans 57,7 M ECAS
250 mm 240 mm
Exemples de revêtement(R175, Parc des Laurentides)
Conception initiale pour 15 ans 175 mm de BB
Prolongement de durée de vie190 mm (30 ans)140 / 200 (40 ans) (même coût de BB que 175 mm)
Accotement gauche
Voie de dépassement
Voie de circulation
Accotement droit
(6) ESG-10, 45 mm
(5) MG20 (4) GB-20, 95 mm
(3) MG 20 (2) ESG-5, 60 mm (1) MG 20, 250 mm
Surcoût de la durée prolongéeDoubler la durée de vie structurale (40 ans):
BB : 45 000 $/kmIncluant base anti-fatigue et 25 mm d’ajout de BB
Sous-Profil : < 111 000 $/kmÉquivaut à ajouter 450 mm sur 50% de la longueur
150 000$/km (2 voies)Pour moins de 5-10% des coûts, on double la durée de vie !!
Comparaison à long termeCycles d’interventionsConception 20 ans
0-Construction20 – c.u.30 – pl. + c.u.40 – pl. + c.u.50 - Réfection majeure
Conception ≥ 40 ans0-Construction20 - c.u.
40 – pl. + c.u.
(60 – pl. + c.u.) (répétition indéfinie ?)
Fissures transv. seulementFissuration plusieurs typesRe-fissuration récurrente
Conclusions (1)Les progrès des 10 dernières années pour mieux résister au climat justifient de viser une résistance accrue face au trafic (conception équilibrée)BB ajouté sur revêtement fissuré = solution court terme
0-70 mm re-fissure dès les premières années0-70 mm ne dure qu’env. 10 ans (même avec bonnes fondations)Épaississement de la couche malade qui aggrave la problématique de re-fissuration à chaque cycle de 10 ans (nf/f ↓)
BB ajouté sur revêtement neuf = gain exponentiel25 mm double la durée de vie : 20 40 ans (trafic constant)50 mm quadruple la durée de vie : 20 (80) ansÉLIMINATION des fissures de fatigue nécessitant des interventions majeures…entretient de surface requis aux 20 ansRÉDUCTION des fissures transversales (quasi-élimination pour les plus fortes épaisseurs ou avec l’entretien de la surface)BÉNÉFICE réel à condition d’avoir de bonnes fondations
Les revêtements de 50 à 150 mm sont les plus sujets àcasser par fatigue… idéalement sortir de cette plage
Conclusions (2)Les revêtements épais semblent avoir tendance à ne fissurer que dans la couche de surface
Un planage et ressurfaçage peut dans ce cas équivaloir à une remise à neuf
Le contrôle des soulèvements au gel peut être amélioré à coût raisonnable.
25 mm d’isolant remplace l’effet thermique d’environs 600 mm de MG 112 pour le coût d’un sous profil d’environs 175 mm (≤ 82 000$/km)
RecommandationsConstructions neuves, remises à neuf, décohésionnements
Valider le dimensionnement au gel en terme de soulèvementsProlonger la période de conception (si gel résolu)
Optimiser: base ESG 5 anti-fatigue, stabilisation des fondations recyclées, etc.
Continuer de choisir judicieusement la composition des enrobés (bitumes PG, granulats, formulation)Réalisation des travaux dans les meilleures conditions possibles (bonne saison, assurance qualité serrée)Savourer la durée de vie prolongéeFaire durer le plaisir par un entretien périodique de la surface
Perspectives futuresConstructions neuves, remises à neuf, décohésionnements
Poursuivre les investigations dans cette directionVeille techniqueVariantes de conception et de stratégies (optimiser)Continuer de documenter le phénomène de fissuration superficielle (argument supplémentaire)
Encourager les projets à durée de vie prolongéeExpertise-conseilsFormationOutils de dimensionnement (Logiciel CHAUSSÉE 2)Normes
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