Utilisation de géogrilles de fibre de verre pour le renforcement de chaussée

23-05-2018

Article paru dans l’édition Avril 2018 de la revue ViaBitume.

Le renforcement positif

On jase!

Le Québec possède des centaines de milliers de kilomètres de routes diverses dans des secteurs souvent peu commodes mettant à rude épreuve les structures de chaussée. Plusieurs facteurs peuvent contrevenir ou amoindrir la volonté économique d’ériger une route dans certains secteurs. Le territoire très vaste présente son lot de défis car, pour assurer la disponibilité et l’accessibilité des matériaux, la logistique ainsi que le transport font partis intégrante des solutions à envisager. Ces matériaux représentent près du quart des coûts relatifs de ce type de structure et pourtant la province semble tout de même choyée par le nombre de carrières disponibles mais surtout par la couverture de ces dernières sur le territoire.

Des constructions conjointes furent réalisées avec nos voisins de l’Ontario et du Nouveau-Brunswick nous permettant de comparer les aspects techniques et budgétaires de nos réalisations. Certaines études stipulent que le Québec érige des structures très économiques par rapport à l’Ontario, le Nouveau-Brunswick ainsi que certains états du Nord-Est Américain. L’analyse de ces constructions conjointes, permet de dire que les constructions québécoises présentent une économie budgétaire de plus de 10 % comparativement aux coûts de constructions effectuées par nos voisins. Considérant ce chiffre favorable, il est intéressant de se questionner à savoir pourquoi le niveau de satisfaction des citoyens québécois est si faible? Peut-être y a-t-il un lien avec l’état général de nos chaussées ?

Le vieillissement accéléré et alarmant des infrastructures québécoises permet de se demander si le choix des matériaux utilisés ne répond pas simplement aux exigences des devis ou font-ils état d’une mauvaise conception initiale. Plusieurs facteurs externes aux matériaux utilisés ainsi qu’à la méthode de construction affectent la durée de vie utile des chaussées québécoises. La mauvaise installation des matériaux, les erreurs humaines ainsi que les conditions météorologiques (les gels-dégels intenses et répétitifs, la pluie, la neige, l’argile et la hauteur de la nappe phréatique, etc.)  impactent grandement cette durée de vie.

 

On jase d’histoire

Ce n’est pas d’hier que le renforcement de la chaussée cogite dans la tête des ingénieurs-concepteurs. C’est dans le premier quart des années 1900 qu’un renforcement de chaussée est effectué grâce à de la fibre de coton tissée, mais malheureusement, la fibre utilisée pour fabriquer ce produit étant de nature végétale n’offrait qu’un support limité dans le temps dû à sa biodégradation et à sa décomposition naturelle. Les matériaux ont su s’améliorer avec le temps tirant avantage à la technologie offerte et nous devons au marché des moquettes et tapis, au début des années 50, l’arrivée du terme « Géosynthétique ».  L’ajout d’une fibre novatrice permet de remédier favorablement à certains problèmes courants de l’ingénierie des structures de l’époque. Cette fibre constituée d’un polymère synthétique permettra d’augmenter la longévité du renforcement et changera la « donne » de nos conceptions, et ce, encore aujourd’hui.

Par conséquent, du terme géosynthétique naitra le terme « géotextile » au début des années 70 puis la « géogrille » en 1980. La géogrille, élément de renforcement par excellence depuis ce temps, permettra de renforcer une structure de chaussée et même un enrobé.

La venue de ces géosynthétiques suivait malheureusement le « Boom » de construction des années 60 et 70 que le Québec a vécu. Malencontreusement, nous n’avons pu bénéficier de ces évolutions que sur une faible partie des projets réalisés à cette époque. Le premier arrivage massif de géotextile sur un projet notoire du Québec fut pour un barrage d’Hydro Québec au début des années 70 et la provenance de ces membranes était européenne.

 

On jase de renforcement

Avant la venue des géosynthétiques, pour augmenter la capacité portante d’une structure de chaussée, il fallait augmenter le volume et la masse des matériaux de base affectant lourdement le coût. Les géosynthétiques ont permis de revoir nos designs et d’élaborer des nouveaux standards.

Le dimensionnement d’une structure de chaussée construite pour une durée de vie utile de 15-20 ans sera construit en multicouches de matériaux granulaires et elle sera généralement recouverte d’un enrobé. Les routes québécoises suivent donc ce principe.

Voyons les principaux objectifs d’un renforcement :

• Rendre efficaces et durables les infrastructures (+) ;
• En cas de réfection ou réparation, réduire les frais de maintenance (-) ;
• Prolonger la durée de vie de la structure (+) ;
• Espacer l’entretien (-).

Tentons maintenant d’optimiser chacun de ces objectifs.

Afin de rendre efficace et durable une infrastructure, il est possible d’ajouter une géogrille ou un géotextile haute performance tel que la série RS du manufacturier Tencate à la base de l’infra permettant une meilleure répartition des charges (+). Lorsqu’une maintenance ou une réfection est à effectuer, l’ajout de ce géosynthétique à la base de l’infra permet de réduire le volume de matériaux granulaires requis (-). Afin de protéger la surface de roulement contre l’orniérage ou la fissuration, l’ajout d’une géogrille de renforcement en fibres de verre, telle que le produit Cidex du manufacturier 6D Solutions, serait idéal (+). Cet ajout offrira un niveau de performance accrue sur plusieurs années afin d’espacer la fréquence d’entretien (-). Donc, tout en respectant les standards requis et surtout les objectifs d’un renforcement efficace, cette formule des plus et des moins permettra peut-être de construire plus avec moins.

Permettez-moi une analogie avec la cuisine, c’est comme si nous prenions une recette classique d’un grand chef et que nous la revisitions en y ajoutant le petit « Humff » qui la rendra actuelle et mieux adaptée. La base reste la même tout en étant aussi savoureuse mais elle est actualisée au goût du jour.

 

On jase de produits

 Premièrement, la géogrille biaxiale en polymère est généralement utilisée pour renforcer à faible coût la capacité portante des sols et des infrastructures des routes. L’enchevêtrement des matériaux granulaires et l’imbrication de ces derniers à travers les mailles de la géogrille permettent de limiter leurs déplacements sous l’effet des charges dynamiques. Elles offrent aussi une résistance à la traction dans les deux sens, longitudinale et transversale. Vous comprenez qu’elles sont généralement installées à la base de l’infra et peuvent, dans certain cas, réduire de moitié l’épaisseur des granulaires requise tout en conservant le niveau de performance et de la résistance à la compression de cette structure. Afin d’éviter la migration des matériaux sous-jacents, un géotextile de séparation doit être installé sur le sol support, sous la géogrille.

 

La géogrille en fibres de verre est utilisée pour les mêmes raisons de renforcements que la géogrille biaxiale. Cependant une différence marquée, due à la matière première de fabrication, a pour effet d’augmenter le module d’élasticité du produit. La fibre de verre offre de meilleures performances reliées aux contraintes en traction, ce qui en fait le produit idéal pour le renforcement de l’enrobé mais surtout pour l’antiremontée de fissures. Ce produit permet de remédier aux problèmes de gonflement, du faïençage, de l’orniérage et de la fissuration des chaussées. Pour faciliter l’installation et assurer un plaquage uniforme sur l’émulsion, la géogrille en fibres de verre est amalgamée à un géotextile fin. Visuellement, un premier contrôle qualité peut s’effectuer rapidement au chantier. S’il est bien marouflé et que l’émulsion a bien pris sur la géogrille, cette dernière changera de couleur (deviendra brun chocolat) et assurera une bonne homogénéité du produit sur le béton bitumineux.

Ces deux produits similaires ne sont pas installés au même niveau dans une structure de chaussée. La géogrille biaxiale est généralement installée au bas de l’infrastructure tandis que la géogrille en fibres de verre est placée sous la couche de roulement.

 

• Le géotextile haute performance est composé de filaments tissés en polypropylène de haute résistance. Ce produit offre un meilleur renforcement dans des conditions de sols très humides. Ce géotextile haute performance permet de remplacer la géogrille biaxiale grâce à sa résistance en tension supérieure et élimine le recours à un géotextile de séparation devant être installé sous la géogrille biaxiale. Comparé à une combinaison de géogrille biaxiale et d’un géotextile de séparation, ce géotextile haute performance offre un module supérieur, permet de laisser passer un débit d’eau supérieur, offre un meilleur confinement, permet une meilleure séparation des matériaux et est visuellement identifiable en chantier afin de faciliter le contrôle des matériaux en chantier.

 

On jase d’économie

Une structure de chaussée est typiquement composée de plusieurs couches de matériaux et, selon la masse et le volume, ils peuvent faire varier énormément le coût de la structure. Le revêtement bitumineux (enrobé) représente un faible pourcentage du volume comparativement aux matériaux granulaires dans une structure de chaussée, pourtant ces deux composantes, bien que les volumes soient grandement différents et disproportionnés, se partagent à juste part la somme globale des coûts (50/50). En ce qui a trait à l’enrobé, un très faible pourcentage de sa masse est constitué de bitume – bien que les granulats représentent 95 % de cette masse – 45 % du coût total de cet enrobé est attribuable au bitume.

 

Le tableur suivant présente la simulation d’une infrastructure de chaussée sans renforcement comparée à une structure optimisée et indique l’économie possible en ajoutant un géosynthétique. Après une simple consultation de la charte  »CBR » vous pourrez constater, qu’en conservant les mêmes valeurs de performance, l’ajout de la géogrille permettra de réduire de 30 % le volume de matériaux granulaires requis et que dans certains cas il est possible de réduire ces volumes jusqu’à 50 % en utilisant le géotextile haute performance de la série RS de Tencate. Bien que ces chiffres soient conservateurs, vous remarquerez qu’en ajoutant une simple géogrille, il est permis de croire à une économie substantielle et que l’ajout du géotextile RS permettra d’accroitre cette économie. Il faut bien sûr s’assurer que la réduction de matériaux ne contrevient en aucun cas à la capacité portante souhaitée.

Concernant l’enrobé une étude de cas réalisée en France à Castelnaudary proposait une installation type Alize (standard européen) parallèlement à une solution optimisée avec la géogrille en fibres de verre Cidex. Ce projet permet de recueillir des données distinctes et précises en fonction de la solution retenue. Sur ce projet, l’enrobé de type Alize avait une épaisseur de 160mm comparativement à 80mm sur la solution incluant le Cidex. Donc même en ajoutant la géogrille, le coût global de l’enrobé offrait une économie de ±30% sur le coût global et il en résultait une réduction de 50% du volume de matériaux requis. Ce projet est instrumenté et est contrôlé chaque année depuis sa mise en service et fait à noter, les niveaux de performance et de durabilité sont plus satisfaisants avec l’utilisation du produit Cidex qu’avec la solution originale de type Alize.

Il n’est pas rare de constater ces niveaux de performances en plus de voir des économies de l’ordre de 20% à 25% en ajoutant le produit Cidex dans l’enrobé. Plusieurs projets peuvent en témoigner, car plus de 40 millions de mètres carrés ont été installés à travers le monde, et ce, même en conditions nordiques.

 

On jase du futur

Plusieurs études et travaux professionnels stipulent qu’une grande majorité de nos structures sont vétustes ou en piètre état et que certaines d’entre elles ont même atteint voir dépassé les limites d’une durée de vie utile. Ne serait-il pas économiquement ou, à tout le moins, intéressant d’évaluer ces géosynthétiques?

Typiquement, le bitume nécessaire à une structure de chaussée représente près du quart des coûts globaux. Il est donc judicieux de comprendre que, si nous réduisons le volume ou la masse de ces matériaux, nous pourrions réduire ce coût puis en reprenant la formule des plus et moins présentées plus haut, nous pourrions faire plus et mieux avec ces mêmes volumes et masses. De plus, l’ajout du produit Cidex permettrait d’augmenter la longévité et la durée de vie utile de ces structures et il faut, bien sûr, ne pas négliger l’espacement des entretiens. Si nous augmentons la durée de vie utile d’une structure de plusieurs années, nous en serons tous exponentiellement gagnants à long terme.

Ces géosynthétiques sont aujourd’hui à la fine pointe de la technologie. Les fabricants ont su faire évoluer ces produits en fonction de leurs applications et pourtant, encore aujourd’hui, ces matériaux restent peu utilisés, voire même négligés dans certains cas par manque d’éducation.

Mettant ces constatations en évidence, une question se pose : sommes-nous à quelques projets près d’une réalisation performante, économique et durable?

Certains penseront que ce texte est contre indicatif à placer dans une revue dont le thème principal est le bitume. Je vous répondrai, pas vraiment ! Nous irons simplement plus loin en effectuant du Renforcement Positif.

À chaque problème, son géosynthétique!