Route 11 au Nouveau-Bbrunswick 328.60 Kb

LES ROutes en béton
ÉTUDE DE CAS DES SECTEURS DE
RBCP LOCALISÉS SUR LA ROUTE 11
AU NOUVEAU-BRUNSWICK :
LES CONTOURNEMENTS
SAINTE-ANNE-DE-KENT ET
SAINT-LOUIS-DE-KENT
Gilles Hébert, ing.
Secteur génie civil
Université de Moncton
décembre 2006
Pour la voirie…
PENSONSBÉTON!
CHAUSSÉE RIGIDE
Étude de cas des secteurs de RBCP localisés sur la route 11 au Nouveau-Brunswick
Introduction
Les revêtements en béton de ciment Portland (RBCP) furent introduits dans la province du NouveauBrunswick pour la première fois lors de la reconstruction de la route 11, une artère rurale. Le premier
secteur construit fut un nouveau tronçon à deux voies de 10,9 kilomètres de la route 11, le contournement
Sainte-Anne-de-Kent, du chemin Gratton à la route 134, indiqué comme le projet no 1 dans la figure 1. Ce
premier projet de RBCP exécuté par le ministère des Transports du Nouveau-Brunswick (MTNB) fut réalisé
en deux phases, la voie en direction sud ayant été complétée à l’automne 1979 et la voie en direction nord,
au printemps 1980. Le second projet de RBCP (voir le projet no 2, de la rivière Aldouane à la route 480,
dans la figure 1) fut terminé en 1983. Ce projet de RBCP, un tronçon à deux voies de 9,9 kilomètres de la
route 11, est un secteur du contournement Saint-Louis-de-Kent.
Fig. 1 : Localisation des projets de RBCP nos 1 et 2 sur la route 11
11
8
Miramichi
117
11
8
108
126
117
118
440
Kouchibouguac
Blackville
8
Sainte-Louis-de-Kent
480
134
Localisation du
projet no 2 RBCP
11
Richibouctou
134
Sainte-Anne-de-Kent
116
Localisation du
projet no 1 RBCP
Bouctouche
Les coupes transversales pour les deux projets, nos 1 et 2 (voir figure 2), sont identiques avec deux voies
de circulation en béton de 3,66 m avec accotements en béton rattachés de 0,91 m plus un autre 2,13 m
d’accotement en gravier. Cette géométrie est semblable à celle des secteurs asphaltés adjacents.
Conception et construction du revêtement BCP
La conception de l’épaisseur du revêtement en béton a été exécutée selon la méthode de la Portland Cement
Association (PCA), « Thickness Design for Concrete Pavements »1, pour une durée de vie de 25 ans.
Le sol existant pour le projet no 1 comprenait un mélange d’argile inorganique, de sable silteux et de sable
argileux. Dans le cas du projet no 2, il consistait en un mélange d’argile et de silt inorganiques.
Les valeurs CBR (indice portant californien) pour le projet no 1 furent mesurées en octobre 1977 sur la
surface nouvellement construite de la fondation inférieure de la route 11. Ces mesures de CBR ont été
effectuées à des intervalles de 30 m le long de l’alignement sur une longueur de 24 kilomètres, de Rexton
vers Bouctouche, au centre et à un décalage latéral de 3,65 m, gauche et droite. Le tableau suivant
résume les valeurs CBR, moyennes, qui varient de 19 % à 80 % pour les quatre secteurs de 6 km évalués,
avec un écart type entre 10,7 % et 31,2 %. Certains endroits isolés ont été jugés trop mous pour le test.
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ROUTE 11
Association Canadienne du Ciment
Fig. 2 : Coupe transversale typique, projets de RBCP nos 1 et 2, route 11
Accotement
3,04 m
Voie direction sud
3,66 m
0,91 m
Voie direction nord
3,66 m
Accotement
3,04 m
0,91 m
Coupe transversale typique
Route 11 (Projets nos 1 et 2)
0,91 m accotement rattaché en béton
Joints obliques 6:1
(5,2, 4,9, 3,7, et 4,0 m) espacements
3,66 m
100 mm fondation supérieure
en roche concassée
300 mm fondation inférieure
en roche sableuse concassée
3,66 m
12,5 mm dia. goujons
@ 760 mm espacement
203 mm
béton ciment Portland
Projet no 1: argile inorganique,
sable silteux et argileux
Projet no 2: argile et
silt inorganique
0,91 m accotement rattaché en béton
Vue en plan
Structure du revêtement
Tableau 1 : Valeurs CBR (indice portant californien), projet no 1
Secteur (km)
0 – 6
6 –12
12 –18
18 –24
Valeur CBR de calcul
80
27
19
43
Écart type
31,2
13,8
10,7
11,9
CBR le plus bas
39
4
9
25
La conception initiale de l’épaisseur du revêtement pour les deux projets exigeait une dalle sans goujons,
en béton, d’une épaisseur de 203 mm sur une fondation supérieure de 100 mm de roche concassée de
31,5 mm et une fondation inférieure de 300 mm de grès concassé de 76 mm. L’épaisseur des dalles en
béton construites dans le cadre du projet no 1 fut mesurée par extraction de cinq dalles de la voie droite
et quatre de la voie gauche; elle variait entre 152 mm et 216 mm (Nussbaum, 1990)2. L’infrastructure
inférieure en grès concassé fut aussi échantillonnée dans ces zones, où l’on releva 11 % de particules
inférieures à 75 μm par poids, indiquant un niveau élevé de particules fines. Ce niveau élevé de particules
fines aurait comme résultat un revêtement plus susceptible au pompage et une perte de support. La
densité sèche de la fondation inférieure variait entre 1 775 g/m3 et 2 110 g/m3. L’épaisseur mesurée de
l’infrastructure supérieure variait considérablement, de 0 mm (aucun matériau) jusqu’à 125 mm.
Le transfert de charges dans la direction transversale pour les deux projets devait, selon les spécifications,
être assuré par l’interaction des granulats. Les joints transversaux étaient des joints obliques, à angle de
6 :1, installés à intervalles de 5,2 m, 4,9 m, 3,7 m et 4,0 m. Tous les joints de contrôle étaient des joints
sciés dans le béton, à une profondeur de 50 mm à 60 mm environ d’après les mesures effectuées. Le joint
longitudinal entre la voie nord et la voie sud comprenait des tirants de 12,5 mm de diamètre sur 760 mm
de longueur, espacés de 760 mm. Ce joint central était aussi un joint de construction à clef. Même si cela
n’avait pas été spécifié, les joints entre les voies et les accotements furent aussi renforcés par des tirants.
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CHAUSSÉE RIGIDE
Étude de cas des secteurs de RBCP localisés sur la route 11 au Nouveau-Brunswick
La surface du revêtement fut rayée dans la direction transversale afin d’améliorer le drainage et de limiter
la possibilité d’aquaplanage. Les rayures furent construites à un angle de 90° avec la ligne centrale, à une
profondeur de 3 mm à 5 mm, une largeur de 2 mm à 3 mm et un espacement, de 6 mm à 25 mm, la
moyenne étant de 12 mm. Les rayures étaient continues, couvrant même les joints transversaux obliques
de contrôle (contraction), ce qui a pu contribuer au désenrobage prématuré de ces joints.
Initialement, un mastic placé à chaud, Hydrotech Uniroyal 6160®, fut placé dans les joints. Ce mastic fit
défaut et fut remplacé en 1983 par un mastic placé à chaud, Meadows HI-SPEC®, un mastic polymérique.
Moins d’un an plus tard, ce mastic avait aussi fait défaut. En 1984, les joints furent élargis à la scie, à une
dimension de 16 mm sur 12,5 mm et un mastic Hydrotech 6165® fut placé. En moins de quatre ans, le
mastic avait à nouveau fait défaut. Finalement, en 1989, les joints furent nettoyés, passés au jet de sable et
remplis de silicone Dow 888®. En moyenne, ce mastic fut remplacé tous les trois ans jusqu’au moment où
le revêtement fut pulvérisé.
Le tronçon du projet no 1 a été construit sans système de drainage souterrain; mais, en 1995, des drains
longitudinaux furent installés de chaque côté du revêtement. Dans le cas du projet no 2, des drains longitudinaux furent installés en rive durant la construction initiale, en 1983, avec sorties dans le talus de la route.
Propriétés du béton
La résistance spécifiée pour le béton était respectivement un minimum de 3,8 MPa en flexion et un minimum de 27,6 MPa à 28 jours en compression. Les résistances du revêtement à 28 jours, telles que mesurées, variaient entre 3,45 MPa et 5,45 MPa en flexion et entre 28,0 MPa et 36,6 MPa en compression.
Le tableau 2 résume les mélanges de BCP approuvés. Le mélange spécifié pour le béton de ciment
Portland était conforme aux devis du MTNB, qui prévoyaient un rapport eau-ciment maximum de 0,45 et
un minimum de ciment de 350 kg/m3. Un affaissement maximal de 50 ± 12 mm fut spécifié et une teneur
en air permissible de 6,5 ± 1 %. Le béton placé était toutefois très variable, avec un affaissement de
13 mm à 70 mm et une teneur en air de 2,4 % à 8,5 %.
Tableau 2 : Mélanges de béton de ciment Portland
Projet no 1
1979
Ingrédients
Gros granulats
Granulats fins
Eau
Ciment
Air entraîné
Reduction d'eau
Source/Type
Chaddick Lake
Mill Creek &
Chaddick Lake
Étang
P/D
Darex®
WRDA®
Projet no 2
1980
Proportion
(par m3)
1094,5 kg
756,3 kg
195,8 kg
391,5 kg
221,8 ml
768,8 ml
Source/Type
Lac Chaddick
Ideal blended
sand
Chantier
P/D
Daravair®
WRDA-Hycol®
Source/
Type
Proportion
(par m3)
P/D
P/D
766,4 kg
P/D
P/D
195,8 kg
391,5 kg
118,3 ml
517,5 ml
P/D
P/D
P/D
P/D
P/D
380 kg
P/D
P/D
Proportion
(par m3)
1020,3 kg
Conditions climatiques
Les données climatiques qui sont discutées proviennent des Normales climatiques au Canada 1971–20005
d’Environnement Canada. Les données de la station météorologique de Kouchibouguac (ID 8102325)
furent utilisées vu la proximité de cette station aux secteurs de RBCP. D’après Environnement Canada, le
RBCP mis en place lors des projets nos 1 et 2 fut exposé, depuis sa construction, à des températures
moyennes annuelles minimale de –15,3 °C et maximale de 25,2 °C. Les températures minimale et maximale extrêmes pour une journée furent – 34,4 °C et 36,7 °C.
Pendant la durée d’utilisation du RBCP, la pluviosité moyenne annuelle était de 1 239,9 mm, dont
365,5 mm sous forme de neige et 874,4 mm en pluie. Typiquement, le nombre de jours où la température
était sous le point de congélation (0 °C) était 183,5 par an, tandis que le nombre de degrés-jours sous le
point de congélation était 938,8. La moyenne annuelle de pénétration du gel dans la région a été
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Association Canadienne du Ciment
estimée à 1,5 m de profondeur. Cette profondeur de gel est une estimation basée sur le Guide for Design
of Pavement Structures7 publié en 1993 par l’AASHTO et ne reflète pas les mesures in situ de la teneur en
eau du sol, le type de sol ni la durée des gels.
Durant les hivers, les revêtements BCP furent dégivrés avec des agents chimiques. Le MTNB utilise du sel
gemme (NaCl) comme dégivreur principal et du sable pour augmenter le frottement superficiel dans des conditions de gel. Selon toute estimation, 250 tonnes métriques/an furent appliquées sur le tronçon du projet no 1,
tandis que 228 tonnes métriques/an furent appliquées sur celui du projet no 2. Ce taux est semblable au taux
appliqué aux secteurs adjacents en asphalte.
Charges de roulage
Les charges de roulage utilisées par le MTNB pour le dimensionnement des deux tronçons étaient 2 millions
d’ÉCAS (équivalent de charge axiale simple). Le débit journalier moyen annuel (DJMA) pour 2002 fut estimé à
6 090 véhicules pour le projet no 1 et le débit journalier moyen annuel de camions (DJMAC), à 720 environ
(12 %). Pour le projet no 2, le DJMA de 2002 était 3 580 véhicules et le débit de camions (DJMAC), 650
(18 %). En se basant sur ces comptes et sur un facteur de conversion en ÉCAS de 0,52 pour toutes les
classes de camions3 et un facteur de distribution directionnelle de 0,50, on arrive à un ÉCAS de 6,83 x 104
pour le projet no 1 en 2002. Pour le projet no 2, ce nombre était 6,17 x 104. Si on suppose que le trafic en
2002 est demeuré constant pour la durée de vie de 25 ans du revêtement, les observations suivantes peuvent être faites : pour le projet no 1, on a un ÉCAS de calcul de 2,0 x 106 contre un ÉCAS estimatif de 1,71
x 106; pour le projet no 2, on a un ÉCAS de calcul de 2,0 x 106 contre un ÉCAS estimatif, 1,54 x 106. Cette
analyse semblerait indiquer que l’ÉCAS de calcul était plus qu’adéquat pour le trafic circulant sur les deux
tronçons durant la durée de vie de 25 ans du revêtement.
Comportement de la chaussée
En novembre 1989, une évaluation du revêtement fut entreprise par P. Nussbaum2, qui nota les dégradations
suivantes : désenrobage des granulats du béton aux joints transversaux à proximité des pistes des roues et
dénivellement ou mise en escalier des dalles, variant entre 6 mm et 13 mm, aux joints transversaux. Pour le
projet no 1, il y avait des fissures longitudinales dans approximativement 12,5 % de la voie en direction sud,
tandis qu’il y en avait dans seulement 4 % de la voie en direction nord. Les deux voies comportaient des
lézardes et des fissures transversales sur approximativement 2,5 % de leur surface.
Finalement, les dalles qui furent extraites du tronçon du projet no 1 présentaient des fissures en D sur leur face
inférieure, près des joints. L’épaisseur spécifiée de 100 mm de fondation supérieure ne fut jamais construite,
ce qui a pu contribuer à cette fissuration, car le drainage devait mal se faire.
Tableau 3 : Rugosité (m/km) du RBCP comparativement à l’asphalte
Description
Contournement
Kent RBCP
Secteur asphalte
C-Sharp
Année
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
2,39
2,39
2,79
2,82
2,84
3,02
3,33
1,44
1,45
1,40
1,54
1,50
1,47
1,56
En 1989, les secteurs de RBCP (projets nos 1 et 2) furent soumis à des tests de flexion par la firme
John Emery Geo-technical Ltd (JEGEL)8. Les essais ont été réalisés au moyen d’un déflectomètre à masse
tombante Dynatest (avec poids de 40 kN) afin de déterminer l’intégrité structurelle des dalles en béton et la
capacité de transfert de charges aux joints transversaux. La déflexion absolue mesurée au centre de la dalle
est utilisée comme un indicateur de l’état structurel de la dalle, tandis que la déflexion relative des deux côtés
des joints est utilisée pour mesurer l’intégrité des joints. Les résultats des tests de 1989 par JEGEL8 indiquaient une déflexion absolue moyenne de 0,24 mm pour les deux projets. Ceci indiquait que l’état structurel
des dalles était bon. Les déflexions relatives aux joints étaient élevées, le transfert de charges variant entre 9 %
et 86 % et s’établissant en moyenne à 30 %. La faible valeur de la capacité de transfert de charges aux joints
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(après moins de 10 ans de service) était probablement due à plusieurs facteurs, dont les suivants : aucun
goujon n’avait été mis dans les joints, ce qui aurait amélioré le transfert de charges; les fissures en D aux
joints transversaux réduisaient la résistance des granulats; le pompage des dalles dû à une nappe phréatique
élevée, à la présence de granulats fins et à la déflexion rapide des dalles accélérait la perte de résistance
dans le granulat; la faible résistance en flexion du béton à certains endroits réduisait considérablement la
capacité du revêtement à résister aux charges normales du débit véhiculaire; et, finalement, des dalles trop
minces dans certains secteurs de la route réduisaient la capacité du revêtement à soutenir les charges normales des camions sans endommagement.
Coûts de construction et d’entretien
Le coût initial des deux projets (structure de la chaussée seulement) était 2 043 707,60 $ (dollars de 1980)
pour le projet no 1 et 3 072 818,00 $ (dollars de 1982) pour le projet no 2. Le tableau 4 résume l’entretien
effectué sur les deux tronçons.
Tableau 4 : Sommaire des coûts d’entretien et de réparation
Projet no 1
Activité
Mastic replacé
Dalles fissurées remplacées
Drainage installé
Béton pulvérisé et replacé
avec asphalte
1979-1996
Fréquence
Coût
Tous les 3 ans 35 000$/km
1989
P/D
1995
250 754$
1996
2 217 761$
Projet no 2
1983-2003
Fréquence
Coût
Tous les 3 ans
35 000$/km
NIL
NIL
1983
Item de soumission
2002-2003
P/D
Conclusion
Le projet no 1 était localisé sur la voie de contournement Sainte-Anne-de-Kent de la route 11 et le projet
no 2, sur la voie de contournement Saint-Louis-de-Kent de la route 11. Ces deux tronçons furent les premiers
secteurs de RBCP dans la province du Nouveau-Brunswick. Les évaluations faites par Peter Nussbaum2
en 1989 ont démontré que le RBCP du projet no 1 fut construit sur des couches de fondation supérieure
et inférieure de qualité inférieure. Par exemple, Nussbaum a déterminé que la granulométrie de la fondation inférieure contenait plus de 11 % de granulats inférieurs à 0,075 μm. Une autre observation était que la
couche de fondation supérieure requise avait été éliminée. Ceci aurait eu comme résultat une forte rétention
d’eau, d’où une susceptibilité accrue au gel/dégel et, en conséquence, un taux possiblement élevé de fissuration en D. Un taux élevé de fissuration en D a comme résultat une réduction dans la résistance des granulats
aux joints et la fissuration de la surface des dalles, tandis que des fondations mal aménagées peuvent mener
au pompage et à un dénivellement aux joints et dans les zones de fissuration.
D’après les observations de P. Nussbaum, en 1989 (dix ans après l’exécution du projet no 1), le revêtement
en BCP des deux tronçons présentait des dénivellements aux joints et des fissures longitudinales, et le
mastic des joints avait dû être remplacé à plusieurs reprises. La fissuration et les dénivellements eurent
comme résultat un faible indice de confort et une mauvaise performance générale de la chaussée. Les
accotements du projet no 1 n’étaient pas suffisamment drainés, et l’eau ainsi retenue dans la structure de la
chaussée avait contribué au soulèvement par le gel.
Les conditions climatiques n’étaient pas idéales à la mise en place du béton dans le cadre du projet no 1 :
la température ambiante se situait entre 0 °C et 10 °C le jour même et le lendemain de la mise en place du
béton de la voie en direction sud.
Tous ces facteurs ont contribué en partie à la dégradation prématurée du revêtement des deux tronçons. Le
secteur de RBCP du projet no 1 avait été conçu pour un trafic de 2 millions d’ÉCAS et, comme le débit journalier moyen annuel a été estimé à 68 300 ÉCAS (2002), le revêtement aurait dû avoir une durée de vie de
30 ans. Le secteur fut démoli et asphalté en 1996, après une durée de vie de seulement 16 ans, bien moins
que les 30 ans de sa durée estimative. Le secteur de RBCP du projet no 2 avait aussi été conçu pour
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ROUTE 11
Association Canadienne du Ciment
2 millions d’ÉCAS et, compte tenu d’un DJMA estimatif de 61 700 ÉCAS (2002), aurait dû avoir une durée de
vie de 33 ans. Le secteur fut démoli et asphalté en 2003, après une durée de vie de seulement 20 ans, bien
moins que les 33 ans de sa durée estimative.
Les techniques modernes de conception des revêtements en béton auraient éliminé la plupart des facteurs
notés ci-dessus, qui ont mené à la dégradation prématurée de ces deux revêtements. Par exemple, les
nouvelles techniques de conception des RBCP exigent l’incorporation de goujons pour faciliter le transfert
de charges aux joints, éliminant de la sorte la déflexion rapide des dalles, l’un des trois facteurs à l’origine du
pompage. Les nouveaux devis de RBCP indiquent aussi la nécessité de tests des granulats, afin de prévenir
la fissuration en D et d’assurer la résistance nécessaire au trafic. De nouveaux équipements de nivellement de
la fondation permettent de placer les épaisseurs exactes requises dans les devis. Finalement, les nouveaux
devis tiennent également compte de la nécessité d’un drainage adéquat et de l’emploi de techniques de mise
en place de béton par temps froid.
Références
1. PCA, Thickness Design for Concrete Highway and Street Pavements, 1975.
2. Peter J. Nussbaum, Portland Cement Concrete Highway, Route 11, Kent County, New Brunswick –
Design, Construction and Performance, rapport à l’Association canadienne du ciment Portland, 1990.
3. Y. H. Huang, Pavement Analysis and Design, Prentice Hall, 1993.
4. Ministère des Transports du Nouveau-Brunswick, Proposed Layout for Case Studies on Concrete
Pavement across Canada, 2004.
5. Environnement Canada, 2004.
6. Profilometer Data, Canadian Strategic Highway Research Program (C-SHRP) Site 84-3803, Route 11,
Sainte-Anne-de Kent, 1989-1995.
7. AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures, 1993.
8. John Emery Geo-technical Ltd (JEGEL), Dynatest FWD Testing, 1989.
7
Plan d’action 2000
du gouvernement du Canada
sur le changement climatique
www.ciment.ca
Bureau national
Ottawa (Ontario)
(613) 236-9471
[email protected]
Région de l’Ouest
Vancouver (C.-B.)
(604) 269-0582
[email protected]
Région de l’Ouest
Calgary (Alberta)
(403) 250-3535
[email protected]
Région de l’Ontario
Toronto (Ontario)
(416) 449-3708
[email protected]
Région du Québec
Montréal (Québec)
(514) 739-2722
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