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