Road Talk : Vol. 24, nº 2 été 2018


Les dalles de béton offrent une solution pratique sur les autoroutes achalandées de l’Ontario en facilitant l’exécution des travaux de réfection pendant la nuit

Comme le réseau des autoroutes de l’Ontario ne cesse de grandir et connaît une hausse constante des débits routiers, le ministère des Transports de l’Ontario (MTO) doit redoubler d’efforts pour trouver des solutions nouvelles et novatrices de préservation et d’entretien de ce réseau. Le ministère a localisé certains tronçons d’autoroutes où la circulation de véhicules lourds est particulièrement intense, atteignant parfois plus de 25 000 camions par jour, ce qui représente un risque de détérioration précoce. Ces revêtements bitumineux d’une épaisseur de plus de 300 mm sont exposés à un risque d’orniérage précoce ou de fissuration de pleine profondeur.

Le traitement habituel de fraisage et de revêtement à ces emplacements n’offre parfois qu’une durée de vie de trois à cinq ans, alors que la durée prévue avant l’apparition d’ornières et de fissures serait normalement de huit à douze ans. Comme la durée de vie de cette stratégie de conservation est courte, le ministère examine une technologie consistant à procéder de nuit au fraisage et à la mise en place de béton préfabriqué pour allonger le cycle de vie de la réfection.

La stratégie de mise en place de béton permet également d’éviter les perturbations de la circulation. La nécessité de réduire le plus possible les ralentissements que doivent subir les usagers de ces autoroutes achalandées pendant les travaux de réfection oblige le ministère à trouver des solutions encore plus efficaces. L’exécution des travaux d’entretien et de réfection ne peut faire appel qu’à des fermetures de voie pendant la nuit.

En 2004, le MTO a pour la première fois fait un essai réussi de réparation de la chaussée rigide par la mise en place de dalles préfabriquées en béton. Le but était d’évaluer les techniques de construction. L’essai a été mené sur l’autoroute 427 à Toronto. Après cet essai, des spécifications ont été rédigées, et d’autres travaux de réparation par béton préfabriqué ont été réalisés au fil des années. Les succès du MTO en matière de réparations par béton préfabriqué sur une chaussée rigide ont incité le ministère à mener un autre essai à l’automne 2016, qui consistait à utiliser des dalles préfabriquées en béton pour la réparation d’une chaussée souple. Les avantages de la mise en place de béton comme méthode de réfection des autoroutes, malgré son coût légèrement supérieur, comprennent une réduction des effets sur la circulation, mais surtout un prolongement du cycle de vie de la chaussée; ces deux facteurs contribuent aux avantages en matière de coûts.

Lieu

Le ministère a mené le projet pilote sur le tronçon en direction nord de l’autoroute 400, entre les intersections des autoroutes 88 (vers le sud) et 89 (vers le nord). Un rapport de 2013 indique que le débit journalier moyen dans les deux directions s’élève à environ 87 300 véhicules. La figure 1 ci-dessous montre l’emplacement approximatif du projet pilote.

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Figure 1: emplacement du projet pilote sur l’autoroute 400, entre les autoroutes 88 et 89 (source : Google Map)

Systèmes de soutien des dalles

Le ministère, pendant l’essai, a adopté l’approche de dalle sur terre-plein du système Super-SlabMD de Fort Miller, qui fait appel à des dalles préfabriquées en béton entièrement durcies pour le remplacement de sections de chaussée.

Trois systèmes de soutien des dalles ont été évalués, en fonction de facteurs comme le transfert de charges et la facilité de la construction. L’évaluation tenait également compte de la difficulté de déterminer les étapes des travaux en respectant un créneau quotidien de huit heures, et des adaptations des caractéristiques des joints horizontaux et longitudinaux pour les travaux prévus temporaires et permanents. Les trois méthodes de soutien des dalles mises à l’essai pendant l’étude pilote comprenaient :

  • les dalles sur revêtement bitumineux
  • les dalles sur terre-plein
  • les dalles sur coulis

Des instruments de surveillance à long terme ont également été installés en partenariat avec le Centre for Pavement and Transportation Technology (CPATT) de l’Université de Waterloo.

Fabrication des dalles

Le projet pilote comprenait l’utilisation de 22 dalles de béton armé préfabriquées. Elles ont été fabriquées à la fin de l’été 2016 dans les installations de production de Armtec à Mitchell, en Ontario. Pour assurer une bonne friction, les dalles préfabriquées devaient obligatoirement avoir des microtextures et macrotextures adéquates. Plusieurs méthodes ont été utilisées sur la surface de béton préfabriqué afin de produire une texture superficielle acceptable. La texture superficielle finale était un fini par balayage, suivi d’un striage longitudinal. Les processus de balayage et de striage longitudinal utilisaient une pression constante pour produire la texture désirée. La figure 2 ci-dessous illustre le processus de production des dalles préfabriquées en béton.

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Figure 2 : Production des dalles préfabriquées

Facteurs de conception

Des échantillons de carotte prélevés sur le site du projet pilote permettaient de vérifier que le revêtement avait une profondeur suffisante pour fournir un soutien uniforme des dalles préfabriquées. Trois échantillons de la voie en direction nord révélaient des profondeurs du revêtement de 355, 375 et 375 mm. Comme les dalles préfabriquées en béton ont une épaisseur de 205 mm, les échantillons de carotte ont montré que l’épaisseur du revêtement suffisait pour le fraisage et la mise en place des dalles, le soutien étant alors assuré par le revêtement resté en place d’environ 150 mm. La figure 3 montre de manière schématique la mise en place de la dalle préfabriquée en béton sur chaussée souple.

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Figure 3 : coupe transversale de la réfection de réparation par dalle de béton préfabriquée sur revêtement bitumineux (la chaussée est surmontée d’un essieu reliant deux pneus jumelés)

Les dalles préfabriquées en béton d’une épaisseur de 205 mm ont la largeur d’une voie (3,7 m) et une longueur de 4,6 m. Des goujons enduits d’époxy (espacement de 300 mm) étaient insérés au niveau des joints transversaux. La résistance du béton est mesurée en mégapascal (MPa). Le béton préfabriqué utilisé dans la fabrication des dalles était conçu dans le but de respecter une norme de 30 MPa à 28 jours après la pose, avec un vide interstitiel de 3 %. La dalle préfabriquée était renforcée par deux treillis de barres d’acier enduites d’époxy de 15M, avec un espacement de 300 mm.

Les dalles de l’essai ont été installées en trois nuits consécutives pour atténuer les retards de la circulation. Une dalle longitudinale temporaire de 1,0 mètre (sous-dalle) était utilisée pour faciliter la transition jusqu’aux travaux de la nuit suivante. Pendant le jour, une dalle temporaire placée sur les goujons exposés permettait d’assurer la circulation dans des conditions d’absence de coulis. Cette dalle temporaire était retirée avant la mise en place des dalles de la nuit suivante.

Planification et installation

Collectivement, le ministère, le CPATT, le consultant en conception et l’entrepreneur, Dufferin Construction, ont choisi l’emplacement final du site et la configuration qui serait utilisée pour les trois méthodes d’installation La figure 4 ci-dessous montre la configuration prévue pour les différentes méthodes d’installation.

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Figure 4 : configuration du site pour l’essai des trois méthodes de soutien

L’installation des dalles préfabriquées en béton a commencé le 20 septembre 2016. L’entrepreneur a installé sept à huit dalles en trois nuits pour chacune des trois méthodes mises à l’essai. La planification rigoureuse des activités d’installation visait à assurer le respect de l’échéancier serré et à éviter tout risque de retards dans les travaux. La figure 5 ci-dessous montre l’horaire des travaux de nuit.

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Figure 5 : Horaire d’activité de l’essai sur le béton préfabriqué

Méthode

Option 1 : La méthode des dalles sur revêtement bitumineux – la méthode la plus rapide

La méthode implique la mise en place directe des dalles préfabriquées en béton sur un revêtement bitumineux ayant fait l’objet d’un fraisage d’une grande précision, avant l’ajout d’un coulis de scellement la nuit suivante.

L’utilisation du modèle de fraiseuse W120 CFi de Wirtgen, dotée d’une tête de 1,20 m, permettait d’obtenir la largeur désirée.

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Figure 6 : Fraiseuse Wirtgen

Comme la méthode de dalle sur revêtement bitumineux exige une grande précision dans la profondeur du fraisage (marge de tolérance de ± 3 mm), l’appareil de vérification du nivellement de Fort Miller a été utilisé afin d’assurer le respect de ces marges avant la mise en place des dalles (figure 7).

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Figure 7 : Appareil de vérification du nivellement de Fort Miller

Après la mise en place de la première dalle, les mesures indiquaient un différentiel de surface entre la surface de chaussée adjacente et la surface de la dalle préfabriquée d’environ 9 mm. L’ajustement a consisté à retirer la dalle et à procéder à un fraisage d’une profondeur de 12 mm, conformément aux mesures de la vérification du nivellement de Fort Miller. Le différentiel de surface entre dalles adjacentes était modeste (il respectait la marge de tolérance de ± 3 mm des spécifications) pendant la mise en place du reste des dalles. Les instruments du CPATT ont été installés entre la quatrième et la huitième dalle sur revêtement bitumineux. La figure 8 montre l’installation d’une dalle préfabriquée en béton.

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Figure 8 : Installation d’une dalle préfabriquée en béton selon la méthode de la dalle sur revêtement bitumineux

Un total de huit dalles sur revêtement bitumineux a été installé en environ 1 h 10 minutes, ce qui représente une durée moyenne de mise en place d’environ 9 minutes par dalle, suivi de la pose de la dalle terminale temporaire (figure 9). Le coulis de scellement, le coulis pour l’ancrage des goujons et le coulis de rebord à durcissement rapide ont été injectés la nuit suivante (figure 10).

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Figure 9 : dalle sur revêtement bitumineux et dalle terminale temporaire

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Figure 10 : injection du coulis pour l’ancrage des goujons

Option 2 : Méthode de dalle sur terre-plein

Les dalles sur terre-plein ont été installées la deuxième nuit, soit le 21 septembre 2016. La méthode implique le fraisage du revêtement bitumineux, puis la mise en place, le nivellement et le mouillage du matériel d’assise traité au ciment avant que la dalle préfabriquée en béton soit déposée par-dessus.

La même fraiseuse (figure 6) et le même appareil de vérification du nivellement de Fort Miller (figure 7) ont été utilisés que pour la méthode de dalle sur revêtement bitumineux. Les instruments du CPATT ont été installés sous la deuxième et la quatrième dalle avant la pose du matériel d’assise traité au ciment. Le nivellement du matériel d’assise traité au ciment a été effectué manuellement au moyen d’une règle à araser, puis le compactage a été effectué au moyen d’un dameur jusqu’à obtention de la hauteur désirée. Le matériel a été mouillé pour commencer l’hydratation et les dalles ont été déposées directement sur cette couche d’assise (figure 11).

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Figure 11 : compactage du matériel d’assise traité au ciment dans le cadre de la méthode de dalle sur terre-plein

Un total de sept dalles sur terre-plein, en plus de la dalle terminale temporaire, a été mis en place en environ 90 minutes, ce qui représente une moyenne de 13 minutes par dalle. Comme dans le cas de la méthode précédente, le coulis de rebord pour les joints longitudinaux a été appliqué la nuit suivante.

Option 3 : Méthode de dalle sur coulis

L’installation des dalles sur coulis a été réalisée au cours de la troisième nuit. La méthode fait appel à des vis intégrées de nivellement (ou vérins) posées sur la surface du revêtement après le fraisage. Ces vis de nivellement permettent d’ajuster le niveau de la dalle en béton jusqu’à la hauteur désirée. On injecte alors le coulis de scellement à durcissement rapide afin d’assurer le soutien de la dalle.

La même fraiseuse a été utilisée pour l’enlèvement d’une couche du revêtement bitumineux dans le cas de cette méthode de soutien. Les instruments du CPATT ont été installés avant la mise en place de la dalle. Trois malaxeurs à coulis ont été utilisés pour produire la quantité supplémentaire de coulis de scellement qui était nécessaire pour remplir le vide sous la dalle installée selon cette méthode. La figure 12 montre l’ajustement des vis de nivellement pendant l’essai de cette méthode.

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Figure 12 : vis de nivellement pour dalle sur coulis et ajustement

Un total de sept dalles sur coulis a été mis en place en environ 85 minutes, ce qui représente une moyenne de 12 minutes par dalle.

Analyse des données recueillies après la fin des travaux

Les données recueillies immédiatement après la fin de travaux comprenaient des données obtenues par déflectomètre à masse tombante (FWD). Cet instrument de mesure sert à évaluer les propriétés physiques de la chaussée et à déterminer si une chaussée subit une surcharge. La collecte de données comprenait également des données d’essai sur la friction et la rugosité.

Sur les 22 dalles mises en place, seulement une s’écartait de la marge de tolérance de 3 mm et avait besoin d’un meulage par disques diamantés pour respecter les spécifications.

Déflectomètre à masse tombante

Le ministère a fait appel à un consultant pour mener à bien les essais de transfert de charge au moyen d’un déflectomètre à masse tombante. La zone testée était les joints transversaux des dalles préfabriquées. Les essais ont été réalisés en octobre 2016. Un total de 23 joints a été mis à l’essai. Les paramètres comprenaient l’efficacité du transfert de charge (load transfer efficiency ou LTE, exprimé en pourcentage) et la détection du vide.

Généralement, le transfert de charge est considéré comme acceptable lorsque la LTE est supérieure à 70 %. La LTE moyenne des 23 joints était de 80,3 %, ce qui laisse penser que le transfert de charge de cette mise en place de dalles préfabriquées en béton est relativement bon.

Friction

La friction dans le domaine des chaussées est l’interaction entre la surface de la voie de circulation et les roues d’un véhicule. L’essai de résistance à la friction a été réalisé au moyen d’un appareil de mesure du coefficient de frottement avec roue de mesure conforme à ASTM E-274 et pneumatique nervuré standard ASTM E 501. La texture de stries longitudinales a donné des résultats dépassant la valeur de FN30.

Rugosité

La rugosité a été évaluée au moyen de l’appareil Automated Road Analyser (ARAN) afin d’obtenir une mesure selon l’indice international d’uni (IRI). L’IRI est un indice de rugosité dans lequel 0 mm/m représente une chaussée parfaitement lisse. Les valeurs supérieures indiquent que la chaussée est de moins en moins lisse, et donc plus rugueuse. Les valeurs habituelles selon l’IRI pour une surface de béton sont supérieures à celles d’une surface de béton bitumineux à chaud. En effet, la mesure du profil longitudinal capte le striage de la surface du béton, ce qui produit une mesure plus élevée. L’IRI moyen, en fonction d’intervalles de 10 m pour toutes les dalles préfabriquées en béton, était de 2,14 mm/m. Il était de 0,76 mm/m pour le revêtement bitumineux adjacent.

Leçons retenues

Les dalles préfabriquées en béton ont besoin d’une fondation uniforme pour assurer leur soutien. Le projet pilote exigeait une grande précision dans le fraisage du revêtement bitumineux selon une profondeur prédéterminée, et l’obtention d’une surface uniforme pour l’installation des dalles préfabriquées. Le processus ne peut donc réussir qu’avec des mesures précises des surfaces et une bonne maîtrise de la tête de fraisage. Une des leçons retenues du projet pilote est qu’un fraisage à une profondeur légèrement supérieure à celle qui était visée vaut mieux qu’un fraisage insuffisant. La fraiseuse spécialisée utilisée permettait de satisfaire à l’exigence de niveau de ± 3 mm et de produire une texture de surface fraisée uniforme. Le gravillonnage manuel d’endroits élevés localisés et le gravillonnage du revêtement lié à la tête de fraisage ont retardé l’installation d’environ 1 heure. Il est recommandé d’utiliser un équipement de gravillonnage monté sur un véhicule Bobcat pour réduire considérablement la durée de cette tâche.

Les dalles doivent recevoir leur fini par balayage à l’usine, puis leur meulage par disques diamantés ou leur striage sur le site, en tant que processus postérieur à l’installation.

Le sciage des joints longitudinaux avant le fraisage n’est pas nécessaire. Par contre, le sciage des joints transversaux terminaux est recommandé.

La largeur de fraisage exigeait l’ajout de 75 mm par rapport aux mesures afin de faciliter la pose de la dalle préfabriquée. Cependant, le processus d’installation montre que cet ajout à la largeur de fraisage n’a besoin d’être que de 25 mm. Avec un intervalle plus étroit, le canal longitudinal temporaire en acier n’est plus nécessaire.

Par ailleurs, l’utilisation de la dalle temporaire terminale d’un mètre pour faciliter le début des travaux de la nuit suivante s’avère concluante.

Pour obtenir une vitesse maximale de production, il est nécessaire d’avoir deux équipes disposant chacune de leur propre équipement de malaxage du coulis. Le coulis pour l’ancrage des goujons et le coulis de scellement ont en effet des consistances de mélange différentes. L’application du coulis la nuit avant l’ouverture de la voie donnait un temps de durcissement suffisamment long pour obtenir la résistance de coulis désirée.

Conclusion et recommandations

L’essai de mise en place de dalles préfabriquées en béton s’avère concluant. Vingt-deux dalles préfabriquées en béton utilisant trois systèmes de soutien différents ont été mises en place avec succès en trois nuits d’affilée, en respectant l’échéancier établi. Une fois que la fondation est en place, la mise en place de chaque dalle exige une dizaine de minutes. À la vitesse maximale de production, il serait possible d’installer 30 à 40 dalles pendant un créneau de travaux de huit heures.

Selon les données suivant les travaux, la méthode de dalle sur coulis est légèrement supérieure aux autres sur le plan du transfert de charge et de la rugosité. Cependant, le ministère préfère la méthode de dalle sur revêtement bitumineux, qui offre des avantages sur le plan des coûts et de la constructibilité. Cette méthode arrivait par ailleurs au premier rang sur le plan de la rapidité des travaux dans le cadre du projet pilote, ce qui améliore encore davantage le ratio coûts-avantage. Le fraisage de précision permet d’obtenir les résultats escomptés en matière de nivellement final, et il n’est donc pas nécessaire d’ajouter plus de coulis de scellement. La méthode de dalle sur revêtement bitumineux est donc recommandée dans le cas des projets futurs qui feront appel à des vis de nivellement insérées dans la dalle préfabriquée pour corriger tout problème de niveau.

Le ministère procédera à la surveillance continue du rendement. Le CPATT mènera à bien la surveillance des instruments installés sous les dalles d’essai en collaboration avec le MTO. Selon les leçons retenues, il convient de procéder à des révisions des spécifications, et de normaliser la méthode de mise en place avant une mise en œuvre à grande échelle.

Pour de plus amples renseignements, veuillez communiquer avec :
Stephen Lee, ing.
Responsable, Section ds revêtements et des fondations
Bureau de la recherche et du génie en matière de matériaux, au 416 235-3732 ou au Stephen.Lee@ontario.ca

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