Introduction
Depuis leur apparition en France au début du 20e siècle, les chaussées en béton ont connu une évolution constante, tant dans leur conception que dans les règles de l’art qui les régissent. Initialement, les structures de chaussées en béton étaient composées d'une seule couche de béton. Cependant, avec le temps, la technique a évolué pour intégrer les besoins croissants du trafic, les variations climatiques et les nouvelles connaissances sur les matériaux. Vers les années 1980/1990, une structure comprenant deux couches est devenue courante : un revêtement en béton et une couche de fondation en matériaux traités aux liants hydrauliques. Ces structures ont prouvé leur performance et leur durabilité, mais elles présentent des inconvénients économiques et environnementaux liés à leur conception. Le décollement volontaire à l’interface entre le revêtement en béton et la fondation, pratiqué lors de la construction, entraîne une majoration des contraintes horizontales à la base du revêtement, nécessitant des épaisseurs de chaussées plus importantes. Face à ces défis, un nouveau concept de chaussée composite a émergé dans les années 1990, visant à optimiser le dimensionnement des structures de chaussées en béton et à améliorer leur compétitivité.
Genèse des Chaussées Composites
Historique des Chaussées Béton en France
L'évolution des structures de chaussées en béton en France a été motivée par plusieurs facteurs :
- L'augmentation du trafic (en nombre et en charge).
- La variabilité des conditions climatiques (fréquence de gel, pluviométrie).
- L'intégration des retours d'expérience concernant le comportement des matériaux et des structures.
- Les nouvelles connaissances sur les matériaux issues de la recherche en laboratoire.
- Le développement de nouvelles méthodes de calcul pour le dimensionnement des chaussées.
Évolution de la Typologie des Structures de Chaussées
Au fil du temps, la structure des chaussées a évolué d'une simple couche de béton à une structure bicouche. Les revêtements en béton peuvent être en dalles non armées à joints non goujonnés (BC), en dalles non armées à joints goujonnés (BCg) ou en Béton Armé Continu (BAC). La couche de fondation est généralement constituée de matériaux traités aux liants hydrauliques (Grave-Ciment, Béton Maigre, Béton Compacté Routier au Rouleau).
Évolution de la Méthode de Dimensionnement des Chaussées en France
Les méthodes de dimensionnement des chaussées ont également évolué :
- Avant 1960 : Méthode expérimentale.
- À partir de 1960 : Méthode rationnelle basée sur le modèle de Burmister.
- 1971 : Standardisation des matériaux et progrès des moyens de calcul (premier "Catalogue des structures types de chaussées").
- 1977 : Amélioration des connaissances sur les sols, les matériaux, le comportement des chaussées et le trafic (deuxième "Catalogue des structures-types des chaussées neuves").
- 1980 : Méthode rationnelle codifiée dans le guide technique "Conception et dimensionnement des structures de chaussée".
- 1998 : "Catalogue des structures-types des chaussées neuves" (SETRA/LCPC).
- Norme NF P 98 086 : Dimensionnement structurel des chaussées routières (2019).
Focus sur le Dimensionnement des Chaussées en Béton
Le dimensionnement des chaussées en béton prend en compte plusieurs facteurs, notamment les contraintes sous chargement poids lourds, les majorations de contraintes en bord de dalle et la notion de collage des couches. Différents paramètres sont utilisés dans le calcul de la contrainte admissible dans le revêtement en béton, tels que la contrainte à la rupture en traction, les coefficients de risque, de discontinuité et de calage, et le coefficient lié à la qualité de la plate-forme support.
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Constat sur les Structures "Historiques" en Béton
Bien que performantes et durables, les structures traditionnelles en béton présentent un handicap économique lié au décollement volontaire entre le revêtement et la fondation. Ce décollement entraîne une majoration des contraintes horizontales et, par conséquent, des épaisseurs de chaussées plus importantes.
Voies de Progrès
Pour améliorer le dimensionnement des structures en béton et leur compétitivité, plusieurs pistes ont été envisagées :
- Rendre possible le collage des couches pour qu'elles participent toutes au fonctionnement de la chaussée.
- Réduire la valeur du coefficient de discontinuités Kd, qui majore les épaisseurs de béton.
Naissance du Concept des Chaussées Composites
Le collage entre le béton et les matériaux bitumineux a été observé de manière inattendue sur des structures BAC/support bitumineux, tant en Belgique qu'en France. Ces observations ont conduit à une réflexion sur des structures mixtes, constituées d'un revêtement en béton et d'une fondation en matériau bitumineux.
Le Projet National FABAC
Le projet national FABAC (FAtigue de chaussée en BAC) a été lancé par les services techniques du ministère des Transports (SETRA et LCPC) et les syndicats professionnels (Cimbéton et SPECBEA). Il a permis de mettre au point une structure innovante "mixte" ou "composite", constituée d'un revêtement en BAC et d'une couche de fondation en grave bitume. La grave-bitume joue un rôle structurel grâce au collage supposé entre les deux couches. Des essais menés de 1995 à 1998 ont confirmé la possibilité d'un collage durable des couches de BAC et d'enrobé.
Les Chantiers Expérimentaux
Encouragée par les résultats de FABAC, la Direction des Routes a réalisé des chantiers expérimentaux sur des routes nationales très circulées (RN 141 en 1998 et RN 4 en 2001). Ces chantiers avaient pour objectifs de démontrer la faisabilité de la technique de mise en œuvre de béton en "faible" épaisseur sur une couche de grave bitume, d'apprécier la durée du collage et de vérifier les hypothèses retenues pour le coefficient Kd.
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Généralités sur les Chaussées Composites
Définition
Une chaussée composite est une structure constituée de deux couches :
- Un revêtement en Béton Armé Continu (BAC) ou en dalles béton non armées et à joints goujonnés (BC5g).
- Une couche de fondation en Grave-Bitume (GB3).
Elle est posée sur une plate-forme support de bonne qualité, dont la portance est supérieure ou égale à :
- PF3 (120 < EV2 ≤ 200 MPa) pour une structure BAC/GB3.
- PF2qs (80 < EV2 ≤ 120 MPa) pour une structure BC5g/GB3.
Le Concept de Chaussées Composites
Le concept repose sur l’utilisation optimale des qualités mécaniques intrinsèques des matériaux et du collage « naturel » et durable du béton mis en œuvre sur un matériau bitumineux :
- Pour le revêtement en Béton :
- Module élastique élevé : 35 000 MPa.
- Module élastique invariant dans le temps : insensible à la température et à la durée d’application des charges.
- Résistance à l’érosion et au gel.
- Pour la fondation en grave-bitume :
- Module élastique modéré : 9 000 MPa.
- Module viscoélastique, variant dans le temps, en fonction de la température (23 000 MPa à -10 °C et 1 000 MPa à +40 °C) et de la durée d’application de la charge.
- Matériau non érodable, sans retrait et souple, admettant des déformations assez fortes sans rupture.
- Pour le collage à l’interface entre le revêtement béton et la grave-bitume :
- Il est « naturel » car il est obtenu sans l’utilisation d’aucune colle ou produit chimique.
- Il est durable à condition que la surface bitumineuse soit propre et rugueuse et que la couche bitumineuse soit monolithique, de bonne qualité et d’épaisseur suffisante.
La durabilité du collage a été validée par des investigations sur des chantiers avec un recul de plus de 22 ans pour les structures en BAC/GB3 et de plus de 15 ans pour les structures en BC5g/GB3.
Les Différents Types d'Enrobés Bitumineux
Il existe plusieurs types d'enrobés bitumineux, chacun ayant des caractéristiques et des applications spécifiques :
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- Béton Bitumineux Semi-Grenu (BBSG) : Utilisé pour la construction de routes, de chaussées, de pistes d’aéroport ou de zones de circulation. Granulométrie de 0/10 ou 0/14, épaisseur entre 2,5 et 5 cm. Facilement compactable, principalement destiné à l’entretien des chaussées.
- Béton Bitumineux Mince (BBM) : Destiné aux couches de roulement, associé à une couche d’accrochage surdosée, employé pour l’entretien des chaussées à trafic rapide et important. Composé de granulats, de liant et de fibres.
- Béton Bitumineux Très Mince (BBTM) : Destiné aux couches de roulement, utilisé pour la construction de parkings, de trottoirs et pour les couches de surface des routes. Épaisseur entre 1 et 1,5 cm.
- Enrobé Coulé à Froid (ECF) : Constitué d’un bitume relativement mou, permettant d’obtenir un béton bitumineux déformable. Épaisseur entre 4 et 6 cm.
- Enrobé Drainant : Constitué de 20 à 30 % d’espace vide, granulométrie de 0/6, 0/10 ou de 0/14. Béton à forte porosité qui facilite l’absorption de l’eau. Offre une excellente adhérence et contribue à la réduction des nuisances sonores.
- Enrobé à Module Élevé (EME) : Enrobé à chaud de référence. Formulation discontinue qui permet d’augmenter sa rugosité, sa résistance à l’usure et de diminuer les bruits de roulement. Adapté aux chaussées à trafic modéré ou important, aux trottoirs et aux allées piétonnes.
- Grave Bitume (GB) : Enrobé structurant composé d’un mélange de granulats de coupures granulaires très variées (0/2, 2/6, 6/10, 10/14) et de liant. Épaisseur variable selon la granulométrie (4 à 9 cm).
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