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. Ces structures, bien que performantes et durables, ont été confrontées à des défis économiques et environnementaux liés à leur conception même. En effet, le décollement intentionnel à l'interface entre le revêtement en béton et la fondation en matériaux traités aux liants hydrauliques conduit à une augmentation des contraintes horizontales à la base du revêtement, imposant des épaisseurs de chaussée plus importantes.
Pour optimiser le dimensionnement des structures de chaussées en béton et améliorer leur compétitivité, diverses solutions ont été envisagées, notamment le collage à l'interface entre le revêtement et la fondation. C'est ainsi qu'un nouveau concept de chaussée composite a émergé en France vers 1995, fruit de la collaboration entre les professionnels des routes en béton, l'industrie cimentière (Cimbéton), les entreprises routières du béton (SPECBEA) et l'administration des routes (SETRA).
Ce concept repose sur une structure en Béton Armé Continu (BAC) mise en œuvre sur une fondation en matériaux bitumineux, plus précisément une grave-bitume enrichie. L'objectif est de bénéficier du collage, au moins temporaire, des deux couches, permettant à la fondation de jouer un rôle significatif dans le dimensionnement de la chaussée. L'ambition est de créer une structure à longue durée de vie, réduisant ainsi les impacts environnementaux et les coûts, grâce à une diminution des épaisseurs.
Après la validation du concept du collage béton/grave-bitume et de sa durabilité dans le cadre du projet national FABAC, la structure BAC/GB3 a été mise en œuvre dans plusieurs projets routiers, dont deux chantiers expérimentaux réalisés en 1998 et 2001 sur le réseau national. D'innombrables autres chantiers, utilisant des dalles béton à joints goujonnés sur grave-bitume BCg/GB3, ont été réalisés entre 2005 et 2024. Ces projets ont confirmé la validité du concept de chaussées composites et leur pérennité.
Généralités sur les Chaussées Composites
Définition
Une chaussée composite est une structure constituée de deux couches principales :
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- 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).
Cette structure 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, ou PF2qs (80 < EV2 ≤ 120 MPa) pour une structure BC5g/GB3.
Le Concept des Chaussées Composites
Le concept des chaussées composites repose sur l'utilisation optimale des qualités mécaniques intrinsèques des matériaux et sur le collage « naturel » et durable du béton mis en œuvre sur un matériau bitumineux.
- 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.
Le béton est donc idéal pour la couche supérieure de la chaussée, car ses performances de résistance aux charges et aux aléas climatiques garantissent une longue durée de service.
- 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 importantes sans rupture.
La grave-bitume est idéale pour la couche de fondation, car ses propriétés structurantes et sa capacité à reprendre les contraintes en traction optimisent la structure de la chaussée.
Collage à l’Interface :
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- Le collage entre le revêtement béton et la grave-bitume est « naturel », obtenu sans colle ni produit chimique, probablement grâce à de minuscules effets « ventouse ».
- Il est durable à condition que la surface bitumineuse soit propre et rugueuse, et que la couche bitumineuse soit monolithique, de bonne qualité (module, compacité et déformabilité) et d’épaisseur suffisante.
- La durabilité du collage est validée par des investigations sur des chantiers avec un recul de plus de 22 ans pour les structures en BAC sur GB3, et de plus de 15 ans pour les structures en BC5g sur GB3 (dernières mesures en 2020).
Historique des Chaussées Béton en France
Évolution des Structures de Chaussées
Depuis le début du 20e siècle, la conception des chaussées en béton a évolué pour :
- S'adapter à l’évolution du trafic (en nombre et en charge).
- Prendre en compte la variabilité des conditions climatiques (fréquence de gel, pluviométrie).
- Intégrer les retours d’expérience sur le comportement des matériaux et des structures.
- Utiliser les nouvelles connaissances des matériaux issues de la recherche en laboratoire.
- Profiter des nouvelles méthodes de calcul pour le dimensionnement des chaussées.
Évolution de la Typologie des Structures de Chaussées
La technique a évolué d’une structure de chaussée constituée d’une seule couche de béton vers une structure comprenant deux couches :
- Un revêtement en béton : dalles béton non armé et à joints non goujonnés « BC » (dalles californiennes), dalles béton non armé et à joints goujonnés « BCg » (dalles goujonnées), ou Béton Armé Continu « BAC » (sans joints de retrait transversaux).
- Une couche de fondation en matériaux traités aux liants hydrauliques (Grave-Ciment « GC », Béton Maigre « BM », Béton Compacté Routier au Rouleau « BCR »).
Ces structures sont accompagnées de règles de l’art en matière de calepinage des joints (joints de retrait, de construction et de dilatation). Dans le cas des routes à fort trafic, des dispositions constructives strictes sont appliquées (fondation non érodable, surlargeur côté Bande d’Arrêt d’Urgence « BAU », drainage efficace à l’interface revêtement/fondation/BAU).
Évolution de la Méthode de Dimensionnement des Chaussées
- Avant 1960 : Méthode expérimentale.
- À partir de 1960 : Méthode rationnelle formalisée à partir du modèle de Burmister.
- 1971 : Standardisation des matériaux et progrès des moyens de calcul. Premier « Catalogue des structures types de chaussées ».
- 1977 : Amélioration des connaissances des sols, des matériaux, du fonctionnement des chaussées, des comportements in-situ, du trafic poids lourds et des méthodes de calcul. Deuxième « Catalogue des structures-types des chaussées neuves ».
- 1980 : Méthode rationnelle, codifiée dans le guide technique publié en 1994 « 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. Application aux chaussées neuves, 2019.
Focus sur le Dimensionnement des Chaussées en Béton
- Les contraintes sous chargement poids lourds sont calculées en milieu de dalle, en assimilant la structure béton à une structure continue.
- Majoration des contraintes en bord de dalle ou près des discontinuités transversales (fissures ou joints de retrait).
- La notion de collage des couches est importante dans le dimensionnement. Les interfaces considérées dans le guide de 1994 sont :
- Interface couche de fondation/plate-forme considérée collée.
- Interface revêtement en béton sur couche de fondation en matériaux traités aux liants hydrauliques (Béton maigre, GTLH, BCR, etc.) volontairement décollée à la construction.
Différents paramètres sont pris en compte dans le calcul de la contrainte admissible dans le revêtement en béton selon l’équation : σt admissible = σt (NE chargements) . Kr . Kd . Kc . ks
- σt (NE chargements) : contrainte à la rupture en traction par fendage au nombre de chargements d’essieux équivalents de 130 kN.
- Kr : coefficient de risque ajustant la valeur de contrainte admissible.
- Kd : coefficient prenant en compte l’effet des discontinuités des structures béton et l’incidence des gradients thermiques.
- Kc : coefficient de calage prenant en compte le comportement observé sur chaussée.
- Ks : coefficient lié à la qualité de la plate-forme support.
Constat
Les structures « historiques » en béton sont performantes et durables, mais souffrent d’un handicap économique lié au décollement intentionnel à l'interface entre le revêtement et la fondation. Ce décollement conduit à une majoration des contraintes horizontales et à des épaisseurs plus importantes.
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Voies de Progrès
Pour améliorer le dimensionnement des structures 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.
Naissance du Concept des Chaussées Composites
Le collage entre le béton et les matériaux bitumineux a été établi sur des structures BAC/support bitumineux :
- Expérience belge des structures en BAC/enrobé : collage observé à l’interface.
- Expérience française des structures en BAC sur support en BBSG sur A71 : collage observé à l’interface.
Ces constats ont encouragé la direction des Routes et la profession du béton en France à lancer une réflexion sur des structures mixtes, constituées d’un revêtement en béton et d’une fondation en matériau bitumineux.
Le Projet National FABAC
- Réflexion menée par les services techniques du ministère des transports SETRA (aujourd’hui CEREMA) et LCPC (aujourd’hui Université Gustave Eiffel), les syndicats professionnels français, Cimbéton et SPECBEA.
- Mise au point d’une structure innovante « mixte » ou « composite », constituée d’un revêtement en BAC et d’une couche de fondation en grave bitume.
- Projet National FABAC (FAtigue de chaussée en BAC) : des essais menés de 1995 à 1998 sur un manège de fatigue avaient montré une forte suspicion au collage durable des couches de BAC et d’enrobé.
Les Chantiers Expérimentaux
Encouragée par les résultats de FABAC, la Direction des Routes et le SETRA ont réalisé des chantiers expérimentaux sur des routes nationales très circulées (plus de 1500 poids lourds par jour et par sens de circulation). Le chantier de la RN 141 a été réalisé en 1998 et le chantier de la RN 4 en 2001.
Le but de ces chantiers était :
- De montrer 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 de ces deux couches.
- De vérifier in situ les hypothèses retenues pour le coefficient Kd.
Les Enrobés Bitumineux Utilisés en Couche de Roulement
Plusieurs types d'enrobés bitumineux peuvent être utilisés pour la couche de roulement, chacun ayant des caractéristiques spécifiques adaptées à différentes applications.
Béton Bitumineux Semi-Grenu (BBSG): Ce type d’enrobé est couramment utilisé pour la construction de routes, de chaussées, de pistes d’aéroport ou de zones de circulation. Il possède une granulométrie de 0/10 ou 0/14 et son épaisseur varie entre 2.5 et 5 cm. Facilement compactable, il est principalement destiné à l’entretien des chaussées. Ce matériau, associé à une couche d’accrochage surdosée, est généralement employé pour l’entretien des chaussées à trafic rapide et important.
Béton Bitumineux Drainant (BBD): Cet enrobé est constitué de 20 à 30 % d’espace vide et sa granulométrie est de 0/6, 0/10 ou de 0/14. Il s’agit d’un béton à forte porosité qui facilite l’absorption de l’eau, offrant une excellente adhérence par forte chaleur ou par temps de pluie. Il contribue également à la réduction des nuisances sonores.
Béton Bitumineux Clairs (BBC): Il s’agit de l’enrobé à chaud de référence, obtenu grâce à une formulation discontinue qui permet d’augmenter sa rugosité. Cela améliore sa résistance à l’usure et diminue les bruits de roulement. Polyvalent, il s’adapte aux chaussées à trafic modéré ou important, ainsi qu’aux trottoirs ou allées piétonnes.
Béton Bitumineux Structurel (BBS): Cet enrobé se compose d’un mélange de granulats de coupures granulaires très variées (0/2, 2/6, 6/10, 10/14) et de liant. Selon sa granulométrie, son épaisseur varie de 4 à 9 cm.
Enrobés Coulés à Froid (ECF): Cet enrobé se compose d’un mélange de granulats, de liant et de fibres (pour augmenter la résistance du béton sans ajout d’armatures passives). Il présente un bon rapport qualité-prix et est destiné aux couches de roulement, habituellement pour la construction de parking, de trottoirs et pour les couches de surface des routes. Son épaisseur varie entre 1 et 1,5 cm.
Enrobés Souples: Cet enrobé est constitué d’un bitume relativement mou qui permet d’obtenir un béton bitumineux déformable et dont l’épaisseur varie entre 4 et 6 cm.
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