Goujons dans les joints des chaussées en béton : conception, mise en place et performance

Définition et fonction

Un goujon est une tige d’acier cylindrique et lisse placée transversalement à travers un joint dans une chaussée en béton de ciment ordinaire à joints (JPCP) pour assurer le transfert de charge mécanique entre les dalles de béton adjacentes. La fonction principale du goujon est de transférer les charges verticales des roues de la dalle chargée vers la dalle voisine non chargée lorsqu’un aéronef ou un véhicule traverse le joint, réduisant ainsi la déflexion verticale et la contrainte de flexion en traction au bord de la dalle. Ce mécanisme de transfert de charge atténue directement le développement du faïençage — le déplacement vertical différentiel entre les dalles qui crée une marche au niveau du joint et dégrade la qualité de roulement et la sécurité.

Contrairement aux barres d’armature crénelées (ferraillage) qui adhèrent au béton sur toute leur longueur, les goujons sont délibérément lisses et ronds, avec au moins une moitié de la barre désolidarisée du béton par l’application d’un produit anti-adhérent, de graisse ou d’un manchon en plastique. Ce détail de désolidarisation est fondamentalement important : le goujon doit résister aux forces de cisaillement vertical pour transférer les charges, mais il doit également permettre l’ouverture et la fermeture horizontale du joint lorsque les dalles de béton se dilatent et se contractent sous l’effet des variations de température diurnes et saisonnières. Un goujon adhérent des deux côtés du joint entrave ce mouvement horizontal, générant des contraintes de traction qui peuvent fissurer la dalle.

Dans les aéroports, les goujons sont installés dans les joints de retrait transversaux (joints sciés ou formés qui contrôlent l’emplacement des fissures de retrait) et les joints de construction transversaux (joints entre les mises en place adjacentes, par exemple à la fin d’une journée de production). La FAA exige des goujons dans tous les joints de construction transversaux et dans les joints de retrait transversaux pour les chaussées desservant des aéronefs de plus de 100 000 lb (45 360 kg) lorsque la chaussée n’est pas conçue pour dépendre uniquement du verrouillage des granulats pour le transfert de charge. Des goujons fonctionnant correctement constituent l’élément mécanique le plus important déterminant la performance structurale à long terme des chaussées en béton aéroportuaires.

La physique de l’action des goujons implique une interaction complexe entre la contrainte de portance entre la barre d’acier et le béton environnant, la contrainte de cisaillement dans la barre elle-même, et la flexion de la barre sous charge. Lorsqu’une charge de roue d’aéronef s’approche du joint sur une dalle, la déflexion verticale de cette dalle engage la moitié encastrée du goujon. Le goujon transfère ensuite une partie de cette charge — généralement entre 30 et 50 pour cent selon la rigidité du joint, l’épaisseur de la dalle, le support de la fondation et les caractéristiques du goujon — dans la dalle adjacente. Le goujon fait essentiellement pont sur le joint, répartissant la charge appliquée sur deux dalles au lieu d’une. Ce partage de charge réduit la contrainte de traction maximale au bas de la dalle chargée de 25 à 40 pour cent par rapport à un joint non goujonné, prolongeant significativement la durée de vie en fatigue. La base théorique du transfert de charge par goujon a été établie par les travaux analytiques précurseurs de Westergaard sur les contraintes dans les chaussées en béton, puis affinée par Timoshenko et Lessels qui ont développé le modèle de poutre sur fondation élastique qui reste l’épine dorsale analytique de la conception moderne des goujons. Les modèles contemporains par éléments finis, tels que ceux implémentés dans FAARFIELD et le cadre d’analyse tridimensionnelle par éléments finis de la FAA, tiennent compte de l’interaction non linéaire béton-goujon, y compris la formation d’un léger espace autour du goujon due aux charges répétées et à la consolidation du béton.

Conception des goujons : diamètre, espacement, longueur et revêtement

Les dimensions des goujons ne sont pas arbitraires ; elles sont prescrites par les agences de réglementation sur la base de décennies d’essais à grande échelle et de données de performance sur le terrain. L’AC 150/5320-6G de la FAA (Conception et évaluation des chaussées aéroportuaires) fournit des exigences dimensionnelles explicites dans le Tableau 3-6, qui lie le diamètre et l’espacement des goujons à l’épaisseur de la dalle en béton. Cette relation reflète le principe d’ingénierie fondamental selon lequel les dalles plus épaisses répartissent les charges sur une plus grande surface, réduisant la demande de cisaillement sur chaque goujon mais nécessitant également des goujons proportionnellement plus grands pour maintenir la compatibilité de rigidité entre la dalle et le joint.

Le tableau complet des dimensions des goujons de la FAA est reproduit ci-dessous, intégrant les valeurs de l’AC 150/5320-6G et des éditions antérieures (6E, 6F) dont les recommandations de base restent cohérentes :

L’espacement standard de 12 pouces (305 mm) centre à centre place les goujons à intervalles réguliers sur toute la largeur de la voie de pavage, garantissant que chaque trajectoire de roue d’aéronef traversant le joint rencontre au moins deux ou trois goujons actifs. Pour une voie de pavage de piste typique de 25 pieds (7,6 m) de large, cela représente environ 24 à 25 goujons par joint transversal. Le nombre de goujons par trajectoire de roue est critique : les recherches du National Concrete Pavement Technology Center de l’Iowa State University montrent qu’au moins deux goujons doivent être engagés par charge de roue pour éviter les concentrations excessives de contrainte de portance qui peuvent écraser le béton environnant et initier la détérioration du joint.

La longueur du goujon est définie pour assurer un encastrement suffisant de chaque côté du joint. La moitié de la longueur totale est encastrée dans chaque dalle, donc un goujon de 18 pouces (457 mm) fournit 9 pouces (229 mm) d’encastrement par dalle. Cette profondeur d’encastrement doit dépasser le minimum requis pour développer la capacité en cisaillement du goujon sans rupture par portance du béton. L’American Concrete Pavement Association (ACPA) recommande une longueur d’encastrement minimale de huit fois le diamètre du goujon de chaque côté du joint. Pour un goujon de 1 pouce (25 mm) de diamètre avec 9 pouces d’encastrement, le rapport d’encastrement est de 9:1, dépassant confortablement le rapport minimum de 8:1.

Les revêtements des goujons servent deux objectifs distincts : la désolidarisation et la protection contre la corrosion. La partie du goujon située d’un côté du joint — typiquement la moitié de sa longueur — doit être traitée avec un produit anti-adhérent pour empêcher l’adhérence entre l’acier et le béton environnant, assurant un mouvement horizontal libre. Ce produit anti-adhérent est généralement une fine couche d’huile de décoffrage, de cire de paraffine ou un revêtement de désolidarisation époxy appliqué en usine. Certains cahiers des charges exigent un manchon en plastique qui enveloppe une extrémité du goujon, créant à la fois une désolidarisation et un petit espace vide à l’extrémité de la barre pour accommoder la légère translation longitudinale qui se produit lorsque les joints s’ouvrent de façon permanente avec le temps.

La protection contre la corrosion des goujons a considérablement évolué au cours des deux dernières décennies. Historiquement, les goujons en acier au carbone nu étaient courants mais se sont révélés vulnérables à la corrosion en présence d’humidité et de produits chimiques de dégivrage pénétrant à travers des joints non scellés ou mal scellés. L’University of California Pavement Research Center (UCPRC) a mené une étude approfondie de corrosion en laboratoire (UCPRC-RR-2005-10) comparant l’acier au carbone nu, l’acier revêtu d’époxy flexible (vert), l’acier revêtu d’époxy non flexible (violet et gris), l’acier plaqué inoxydable, l’acier inoxydable creux rempli de coulis et l’acier microcomposite (MMFX 2). Les résultats de l’étude étaient définitifs : les goujons en acier au carbone nu ne doivent pas être utilisés dans tout environnement où des chlorures sont présents. Les goujons en acier au carbone revêtus d’époxy offrent une protection adéquate mais sont susceptibles d’être endommagés pendant le transport, la manutention et la mise en place — chaque barre revêtue d’époxy examinée présentait un ou plusieurs défauts de revêtement, en particulier le long des extrémités coupées et des bords. L’étude a recommandé un contrôle de qualité strict pour la détection des défauts et le revêtement époxy obligatoire des extrémités des barres.

Pour les environnements à haut risque tels que les cols de montagne soumis à de fortes applications de produits de dégivrage et les aéroports côtiers marins exposés aux chlorures aériens, la recherche a recommandé de passer à des goujons en acier plaqué inoxydable, en acier inoxydable creux ou en acier microcomposite. Le Wisconsin DOT a mené une évaluation de terrain parallèle sur cinq ans comparant les goujons en acier microcomposite MMFX 2 aux goujons conventionnels revêtus d’époxy dans du JPCP de 9 pouces et a constaté que les deux types de goujons offraient des performances comparables en termes de maintien de l’ETC, les goujons MMFX 2 ne présentant aucune corrosion mesurable après cinq ans dans un environnement de gel-dégel rigoureux avec application régulière de sel de dégivrage. Le surcoût unitaire des goujons résistants à la corrosion — généralement 30 à 100 pour cent de plus que l’acier au carbone revêtu d’époxy — doit être mis en balance avec le coût du cycle de vie d’une défaillance prématurée des joints, d’une réhabilitation DBR ou d’un remplacement de dalle en pleine épaisseur provoqué par des goujons corrodés bloquant les joints.

Exigences de mise en place : alignement, encastrement et lubrification

La précision de mise en place des goujons lors de la construction détermine directement si le joint fonctionnera comme prévu ou deviendra une source de détérioration prématurée. Les goujons peuvent être mis en place selon deux méthodes : les assemblages de paniers pré-placés fixés à la sous-couche ou à la couche de base avant le pavage du béton, ou les inséreurs de goujons (DBI) montés sur la machine de coffrage glissant qui vibrent les goujons dans le béton frais derrière la machine de pavage. Chaque méthode comporte des risques d’alignement distincts et des exigences de contrôle qualité.

Les paniers à goujons pré-placés sont constitués de cadres en fil d’acier — généralement fabriqués à partir de barres d’armature crénelées n°4 ou n°5 — qui maintiennent les goujons individuels à la hauteur, à l’espacement et à l’alignement spécifiés. L’assemblage du panier est fixé par piquets ou clous à la couche de base avant la mise en place du béton. Le panier doit être suffisamment rigide pour résister au déplacement pendant la mise en place et la consolidation du béton. Les spécifications de la FAA exigent que les goujons soient positionnés à mi-épaisseur de la dalle, avec une tolérance de ±1/4 de pouce (6 mm) verticalement. La tolérance d’alignement horizontal est typiquement de ±1/4 de pouce par pied de longueur de goujon (20 mm/m), ce qui signifie qu’un goujon de 20 pouces ne peut pas dévier de plus d’environ 0,4 pouce (10 mm) de la perpendiculaire réelle au joint sur toute sa longueur. La méthode pré-placée atteint généralement une précision d’alignement supérieure à celle de la méthode par inséreur mais nécessite une main-d’œuvre et un temps supplémentaires pendant la construction, car les opérations de pavage doivent progresser avec précaution autour des paniers fixes.

Les inséreurs de goujons automatisent le processus de mise en place, insérant des goujons individuels ou des groupes de goujons dans le béton fraîchement placé derrière le pan de coffrage glissant de la paveuse. Cette méthode est plus rapide et élimine le besoin de paniers, mais elle introduit une variabilité d’alignement car le goujon est poussé à travers du béton plastique qui offre une résistance à la pénétration. Le Nebraska Department of Transportation a mené une évaluation approfondie des pratiques d’insertion de goujons (projet de recherche NDOR M036) en utilisant la tomographie d’imagerie magnétique MIT Scan-2 pour mesurer l’alignement de plus de 2 300 joints construits avec des DBI. L’étude a révélé que la translation longitudinale — l’écart du point central du goujon par rapport à la ligne du joint — était la forme de désalignement la plus courante, la plupart des goujons se situant dans une plage de ±2 pouces (51 mm) du joint. Bien que la majorité des goujons respectaient les tolérances des spécifications, l’étude a identifié une corrélation significative entre la maintenance de l’inséreur et la fréquence d’étalonnage et la qualité de l’alignement, recommandant que les DBI soient réétalonnés après chaque 1 500 à 3 000 pieds linéaires (450–900 m) de pavage.

L’encastrement du goujon fait référence à la profondeur de couverture en béton au-dessus et au-dessous de la barre. La pratique standard place les goujons à mi-épaisseur de la dalle, ce qui pour une dalle de 12 pouces (305 mm) signifie que l’axe du goujon est à 6 pouces (152 mm) des surfaces supérieure et inférieure. Dans les dalles plus épaisses dépassant 14 pouces (356 mm), certaines agences positionnent les goujons légèrement au-dessus de mi-épaisseur — typiquement à 40 pour cent de l’épaisseur de la dalle depuis le dessus — pour mieux résister aux contraintes de flexion plus élevées qui se produisent près de la surface de la dalle sous les charges des roues d’aéronefs. L’encastrement sous le goujon est tout aussi important ; une couverture en béton insuffisante sous le goujon augmente le risque de rupture par portance à l’interface goujon-béton et peut conduire à la formation d’une fissure verticale se propageant vers le bas à partir du goujon.

La lubrification du goujon ou le traitement de désolidarisation est obligatoire sur au moins une extrémité de chaque goujon pour garantir que le joint peut s’ouvrir et se fermer librement. Un produit anti-adhérent non dégradant tel qu’un revêtement de désolidarisation appliqué en usine, une couche épaisse d’huile de décoffrage, ou un manchon en plastique de 0,030 pouce (0,76 mm) d’épaisseur couvrant 7 à 8 pouces (178–203 mm) de la moitié de la barre est la norme de l’industrie. Les manchons doivent inclure un bouchon d’extrémité ou un insert en mousse compressible à l’extrémité de la barre pour créer un petit vide de dilatation. Sans ce vide, l’extrémité de la barre en translation s’appuierait contre le béton à l’extrémité du manchon, générant une charge ponctuelle et pouvant écailler le béton. La longueur désolidarisée doit être suffisante pour accommoder l’ouverture anticipée du joint, qui pour un espacement de dalles de 20 pieds (6,1 m) dans un climat connaissant une plage de température annuelle de 100 °F (56 °C) peut atteindre 0,15 pouce (3,8 mm) par joint. Le coefficient de dilatation thermique du béton est d’environ 5,5 × 10⁻⁶ par °F, donc une dalle de 20 pieds soumise à une baisse de température de 100 °F se contracte d’environ 0,13 pouce (3,3 mm), confirmant la nécessité d’un produit anti-adhérent efficace sur toute la plage de mouvement attendue.

Efficacité du transfert de charge (ETC) et sa mesure

L’efficacité du transfert de charge (ETC) est la mesure quantitative de la capacité d’un joint à transférer la charge d’une dalle à la dalle adjacente. Elle est exprimée en pourcentage et est définie dans l’AC 150/5320-6G de la FAA comme le rapport de la déflexion de la dalle non chargée à la déflexion de la dalle chargée au niveau du joint, mesurée sous une charge appliquée connue. La formulation standard basée sur la déflexion (ETCδ) est :

ETCδ = (δu / δl) × 100 %

où δu est la déflexion verticale maximale mesurée sur la dalle non chargée (de départ) et δl est la déflexion verticale maximale mesurée sur la dalle chargée (d’approche) au niveau du joint, toutes deux sous la même charge d’impulsion appliquée. Un joint avec un transfert de charge parfait présenterait théoriquement des déflexions identiques sur les deux dalles (ETC = 100 %), tandis qu’un joint avec un transfert de charge nul — comme une fissure complètement ouverte sans verrouillage des granulats et sans goujons — présenterait une déflexion nulle sur la dalle non chargée (ETC = 0 %).

Les directives de la FAA indiquent que des valeurs d’ETC de 70 à 75 pour cent ou plus sont généralement acceptables pour les chaussées rigides aéroportuaires. Les valeurs inférieures à 60 pour cent déclenchent généralement l’examen d’une réhabilitation, en particulier si elles sont accompagnées d’un faïençage ou d’une fissuration en coin mesurables. Le seuil n’est pas absolu ; il dépend de la sévérité des charges d’aéronefs, du volume de trafic et de la présence d’autres détériorations. Un joint avec une ETC de 65 pour cent peut être acceptable sur une voie de circulation d’aviation générale à faible trafic mais inacceptable sur une piste principale desservant des avions gros-porteurs.

L’outil principal pour mesurer l’ETC sur le terrain est le déflectomètre à masse tombante (FWD) ou son homologue pour charges lourdes, le déflectomètre à masse lourde (HWD) . Le FWD/HWD fonctionne en laissant tomber une masse sur un plateau de chargement — typiquement de 12 pouces (300 mm) de diamètre pour les essais aéroportuaires — produisant une charge d’impulsion qui simule une roue d’aéronef en mouvement. La configuration d’essai standard spécifiée dans l’ASTM D4694 positionne le plateau de chargement d’un côté du joint, le bord du plateau étant tangent à la ligne du joint. Plusieurs capteurs de déflexion (typiquement sept à neuf géophones) sont disposés en un réseau linéaire, le premier capteur étant centré sur le plateau de chargement et les capteurs restants s’étendant sur la dalle non chargée. Les points de mesure clés sont le capteur directement sous la charge (δl) et le premier capteur de l’autre côté du joint, typiquement à 12 pouces (300 mm) du centre de charge (δu).

L’AC 150/5320-6G de la FAA, Annexe C, fournit des procédures détaillées pour les essais non destructifs (END) utilisant des dispositifs de type FWD. L’annexe spécifie un niveau de charge à trois paliers correspondant généralement à 12 000, 24 000 et 36 000 lb (53, 107 et 160 kN) pour les chaussées aéroportuaires. L’essai à plusieurs niveaux de charge est important car l’ETC peut dépendre de la charge — les joints dont le verrouillage des granulats est dégradé présentent souvent une ETC plus faible sous des charges plus élevées, les mécanismes de verrouillage étant alors surpassés. La FAA recommande également les essais dans des conditions de température représentatives de la saison critique, car l’ETC varie avec la largeur d’ouverture du joint : les joints étroits par temps chaud produisent un meilleur verrouillage des granulats (pouvant gonfler artificiellement l’ETC), tandis que les joints larges par temps froid réduisent le verrouillage et révèlent la véritable contribution des goujons.

L’ETC basée sur la contrainte (ETCσ) est une métrique alternative qui mesure l’efficacité du transfert de charge en termes de réduction de contrainte de traction plutôt que de transfert de déflexion. L’ETCσ est calculée en comparant la contrainte de traction maximale au bas de la dalle chargée dans la configuration avec goujons à la contrainte dans une configuration sans goujons. Les recherches à l’Université Rowan comparant l’ETC basée sur la contrainte et sur la déflexion pour les chaussées rigides aéronautiques ont démontré que l’ETCσ est systématiquement inférieure à l’ETCδ — ce qui signifie que les mesures basées sur la déflexion surestiment le bénéfice structural du transfert de charge. Sous les charges d’atterrisseurs d’aéronefs en mouvement, les valeurs typiques d’ETCσ pour des joints correctement goujonnés vont de 35 à 55 pour cent, contre des valeurs d’ETCδ de 75 à 90 pour cent pour les mêmes joints. L’implication pratique est que les concepteurs de chaussées ne doivent pas supposer qu’un joint avec une ETC basée sur la déflexion de 80 pour cent transfère 80 pour cent de la contrainte ; la réduction réelle de contrainte est plus modeste.

Effets du désalignement des goujons

Le désalignement des goujons se produit lorsque les goujons installés s’écartent de leur position et orientation spécifiées par rapport au joint. Le désalignement est classé en quatre types principaux :

L’obliquité horizontale — le goujon est tourné dans le plan horizontal, de sorte qu’il n’est pas perpendiculaire à la ligne du joint. C’est la forme de désalignement la plus préjudiciable car elle entrave directement l’ouverture et la fermeture du joint. Lorsque les dalles se contractent et que le joint s’élargit, un goujon avec obliquité horizontale se bloque contre le béton des deux côtés du joint, générant des contraintes de traction élevées parallèles au joint. Ces contraintes de blocage peuvent dépasser la résistance à la traction du béton, produisant des fissures transversales qui prennent naissance à l’emplacement du goujon et se propagent à travers la dalle. L’analyse par éléments finis du programme LTPP de la FHWA a quantifié cet effet : une obliquité horizontale de seulement 1/4 de pouce sur 18 pouces (équivalent à un angle d’environ 0,8 degré) peut augmenter les contraintes de blocage du joint de 60 à 80 pour cent par rapport à un goujon parfaitement aligné.

L’inclinaison verticale — le goujon est incliné dans le plan vertical, généralement avec une extrémité plus haute ou plus basse que l’autre. L’inclinaison verticale n’entrave pas directement le mouvement horizontal du joint, mais elle réduit la surface de portance effective entre le goujon et le béton environnant. Un goujon incliné verticalement concentre les contraintes de portance le long d’une bande de contact étroite plutôt que de les répartir sur le diamètre projeté complet, augmentant le risque d’écrasement du béton à l’interface goujon-béton. De plus, si l’inclinaison verticale est suffisamment prononcée pour placer une extrémité du goujon trop près de la surface de la dalle — à moins de 2 pouces (51 mm) du dessus — la réduction du recouvrement peut entraîner un écaillage de surface ou même exposer le goujon à un contact direct avec les produits de dégivrage.

La translation longitudinale — le goujon entier est déplacé longitudinalement de sorte que son centre n’est pas aligné avec la ligne du joint. Cela place des longueurs d’encastrement différentes de chaque côté du joint, le côté le plus court pouvant fournir une longueur de développement insuffisante pour résister au cisaillement. Si l’encastrement tombe en dessous de quatre diamètres de goujon d’un côté ou de l’autre, le risque d’arrachement ou de rupture en cône du béton augmente considérablement.

La translation verticale — le goujon entier est déplacé vers le haut ou vers le bas par rapport à mi-épaisseur. Cela modifie le bras de levier pour le transfert de charge et peut placer le goujon dans une région de confinement du béton plus ou moins élevé. Les goujons placés trop près de la surface supérieure ou inférieure peuvent ne pas être suffisamment confinés et peuvent contribuer à l’écaillage de surface ou à la fissuration initiée en partie inférieure.

Le rapport FHWA-HRT-20-070 du programme d’analyse des données de performance à long terme des chaussées (LTPP) de la FHWA représente l’étude de terrain la plus complète des effets du désalignement des goujons à ce jour. L’étude a utilisé le balayage MIT (tomographie d’imagerie magnétique) — spécifiquement le dispositif MIT Scan-2 — pour mesurer de manière non destructive l’alignement des goujons sur 121 sections d’essai LTPP à travers les États-Unis. La technologie MIT Scan-2 fonctionne en générant un champ magnétique pulsé qui induit des courants de Foucault dans les goujons en acier, des capteurs mesurant la réponse pour reconstruire la position et l’orientation tridimensionnelles de chaque barre. L’analyse a révélé que la majorité des goujons dans les sections LTPP respectaient les tolérances d’alignement, et l’étude a conclu que bien que le désalignement des goujons soit un facteur contributif à la détérioration des joints, ses effets sont généralement secondaires par rapport à d’autres variables telles que l’épaisseur de la dalle, le chargement du trafic, la sévérité du climat et le type de fondation. Aucune relation statistique définitive n’a été établie entre le score de joint (un indice composite de désalignement) et l’incidence des fissures ou de l’écaillage dans la plupart des États.

Cependant, l’étude de la FHWA a bien identifié une relation mesurable entre le désalignement des goujons et le taux de perte d’ETC à long terme. En utilisant le concept de diamètre équivalent de goujon — une méthodologie du rapport NCHRP 637 qui calcule le diamètre effectif d’un réseau de goujons parfaitement alignés qui produirait la même rigidité de joint que le réseau réel désaligné — les chercheurs ont constaté que l’intégration du diamètre équivalent de goujon dans les modèles AASHTOWare Pavement ME Design produisait des prédictions moins biaisées de l’ETC à long terme que l’utilisation du diamètre nominal. Cette constatation confirme que le désalignement dégrade le transfert de charge au fil du temps, même si l’effet immédiat sur l’ETC initiale est faible. Pour les chaussées aéroportuaires, où les conséquences d’une défaillance de joint sont graves et l’accès pour réparation est très contraint, le maintien de tolérances d’alignement de ±1/4 de pouce vertical et ±1/4 de pouce par pied horizontal est une exigence de qualité de construction prudente.

Corrosion et état des goujons

La corrosion des goujons est un mécanisme de défaillance progressive qui compromet à la fois la capacité structurale du joint et sa capacité à accommoder le mouvement horizontal des dalles. Le processus de corrosion dans l’acier encastré dans le béton suit un modèle bien établi en deux étapes : une phase d’initiation durant laquelle les agents agressifs — principalement les ions chlorure provenant des produits chimiques de dégivrage ou le dioxyde de carbone atmosphérique — pénètrent à travers le scellement du joint et le long de l’interface goujon-béton pour dépassiver le film alcalin protecteur à la surface de l’acier, suivie d’une phase de propagation durant laquelle la corrosion active réduit la section transversale de l’acier et génère des produits de corrosion expansifs.

Pour les goujons, la phase d’initiation est intrinsèquement plus courte que pour d’autres éléments en béton armé en raison de la voie d’exposition directe à travers l’ouverture du joint. Même dans les joints bien scellés, l’humidité et les chlorures dissous peuvent atteindre le goujon par trois voies : l’infiltration vers le bas à travers le système de scellement du joint, l’entrée latérale depuis les côtés non scellés de la voie de pavage, et la remontée capillaire depuis la sous-couche à travers le fond du joint. L’étude de corrosion de l’UCPRC a quantifié cette vulnérabilité en mesurant les potentiels de demi-cellule sur des goujons encastrés dans des poutres en béton avec des joints simulés. Les goujons en acier au carbone nu présentaient des potentiels de corrosion active (plus négatifs que -350 mV par rapport à une électrode de référence au cuivre-sulfate de cuivre, indiquant une probabilité de corrosion active supérieure à 90 pour cent) dans les 30 jours suivant l’exposition à une solution de chlorure de sodium à 3,5 pour cent.

L’accumulation de produits de corrosion — principalement des oxydes et hydroxydes de fer qui occupent un volume deux à six fois plus grand que l’acier d’origine — crée une condition particulièrement dommageable au niveau des joints goujonnés. Lorsque le goujon se corrode dans l’espace confiné de son encastrement en béton, la couche de rouille en expansion exerce une pression radiale sur le béton environnant. Cette pression peut initier une fissuration longitudinale le long de la ligne du goujon, ce qui accélère encore l’entrée des chlorures et crée un cycle d’auto-entretien de la détérioration. Plus critique encore, l’accumulation de produits de corrosion sur la surface du goujon augmente le frottement entre le goujon et le béton, bloquant progressivement le joint contre le mouvement horizontal. Un joint qui ne peut plus s’ouvrir pour soulager les contraintes de contraction thermique se fissurera à un emplacement adjacent — généralement au joint suivant ou au milieu du panneau — transférant et concentrant le problème.

Le revêtement époxy est la stratégie de protection contre la corrosion la plus largement adoptée pour les goujons. Les revêtements époxy thermolaqués appliqués selon la norme ASTM A775 fournissent une barrière diélectrique qui isole électriquement l’acier de la solution interstitielle du béton. La spécification du revêtement exige une épaisseur minimale de 7 mils (0,18 mm) et maximale de 12 mils (0,30 mm), avec des limites strictes sur le nombre et la taille des défauts autorisés. Cependant, l’étude de l’UCPRC a constaté que les goujons revêtus d’époxy manipulés sur le terrain présentent invariablement des dommages au revêtement, en particulier le long des extrémités coupées (là où la barre a été cisaillée à longueur après revêtement), le long des bords aux extrémités des barres, et aux points de contact avec le panier à goujons en acier lors de l’assemblage et de la mise en place du béton. La recommandation spécifique de l’étude selon laquelle les extrémités des barres doivent être revêtues d’époxy et que le contrôle qualité doit inclure la détection des défauts à l’aide d’un détecteur de piqûres à haute tension (typiquement 67,5 à 90 V par mil d’épaisseur de revêtement) a été adoptée par plusieurs agences routières d’État pour les applications de chaussées critiques.

Les goujons en acier inoxydable éliminent le problème d’initiation de la corrosion en utilisant des alliages qui résistent à la dépassivation induite par les chlorures. Les barres en acier inoxydable massif de type 316LN ou acier inoxydable duplex 2205 ont été utilisées dans des environnements extrêmes, bien que leur coût — environ quatre à huit fois celui de l’acier au carbone revêtu d’époxy par barre — limite leur application. Les goujons plaqués acier inoxydable, qui consistent en une âme en acier au carbone liée métallurgiquement à une couche externe en acier inoxydable (typiquement de 0,030 à 0,060 pouce ou 0,76 à 1,52 mm d’épaisseur), offrent un compromis de coût à environ deux à trois fois le coût des goujons revêtus d’époxy tout en offrant une résistance à la corrosion de niveau inoxydable à l’interface critique goujon-béton. L’acier microcomposite MMFX 2 représente une troisième alternative : un acier à faible teneur en carbone et allié au chrome qui forme une couche passive stable et adhérente dans les environnements chlorurés sans nécessiter de revêtement ou placage séparé. Sa résistance à la corrosion découle de la chimie de l’alliage plutôt que d’une barrière physique, éliminant les préoccupations concernant les dommages au revêtement pendant la construction.

Inspection des goujons : GPR, MIT Scan et méthodes visuelles

La capacité d’évaluer l’état, la position et l’alignement des goujons sans carottage destructif est essentielle à la fois pour l’assurance qualité de la construction et l’évaluation des chaussées en service. Trois technologies d’essais non destructifs (END) dominent la pratique actuelle : le géoradar (GPR) , la tomographie d’imagerie magnétique (MIT Scan) et l’inspection visuelle par carottage.

Le géoradar fonctionne en émettant des impulsions électromagnétiques à haute fréquence (typiquement 1,0 à 2,6 GHz pour les applications de chaussées en béton) dans la surface de la chaussée et en enregistrant les réflexions provenant des interfaces souterraines où les propriétés diélectriques changent. Les goujons en acier produisent de fortes réflexions en forme d’hyperbole dans les profils GPR en raison du fort contraste diélectrique entre le métal (essentiellement un conducteur électrique parfait) et le béton (constante diélectrique de 6 à 12). En tractant un réseau d’antennes GPR à travers la chaussée à des vitesses de relevé de 5 à 15 mph (8 à 24 km/h), des centaines de joints peuvent être scannés par jour, faisant du GPR la technologie la plus efficace pour les relevés d’état des goujons à l’échelle du réseau. L’AC 150/5320-6G de la FAA, Annexe E reconnaît officiellement le GPR comme une méthode END acceptée pour l’évaluation des chaussées aéroportuaires, détaillant son application pour la mesure de l’épaisseur des couches, la détection des vides et la localisation des armatures.

Le GPR peut détecter trois catégories d’anomalies liées aux goujons : les goujons manquants (aucune réflexion là où attendu), les goujons gravement désalignés (réflexions qui s’écartent du motif spatial régulier d’un réseau correctement aligné), et les goujons corrodés avec perte de section significative (amplitude de réflexion réduite et/ou changements de phase à l’interface métal-béton). Cependant, le GPR présente des limitations pour l’évaluation des goujons. Il ne peut pas mesurer de manière fiable le degré de corrosion à un stade précoce, il ne peut pas quantifier les écarts d’alignement inférieurs à environ 0,5 pouce (13 mm), et son interprétation pour la vérification de barres individuelles nécessite une expertise en traitement du signal. Le GPR est mieux adapté comme outil de dépistage pour identifier les joints nécessitant une investigation plus détaillée, plutôt que comme source unique de décisions d’acceptation/rejet.

Le MIT Scan-2 est la norme industrielle actuelle pour la mesure de haute précision de l’alignement des goujons. Développé par Magnetic Imaging Tools GmbH en Allemagne et affiné à travers de multiples programmes de recherche FHWA et NCHRP, le MIT Scan-2 utilise un scanner de tomographie magnétique portable qui est roulé sur la surface de la chaussée directement au-dessus du joint. L’appareil génère un champ magnétique qui induit des courants de Foucault dans les goujons en acier encastrés ; la réponse magnétique est mesurée par un réseau de capteurs et traitée par l’ordinateur embarqué pour reconstruire la position tridimensionnelle (x, y, z) et l’orientation (obliquité horizontale, inclinaison verticale) de chaque goujon dans le joint. Le système produit des résultats en moins de 60 secondes par joint et atteint une précision annoncée de ±3 mm (0,12 pouce) en position et ±1,5 degré en orientation. L’étude LTPP de la FHWA a utilisé exclusivement le MIT Scan-2 pour les 121 sections d’essai relevées, confirmant son adéquation pour la vérification de conformité réglementaire. Plusieurs DOT d’État spécifient désormais les essais MIT Scan-2 dans le cadre des critères d’acceptation pour la mise en place des goujons, avec des ajustements de facteur de rémunération liés au score de joint ou aux tolérances d’alignement individuelles.

L’inspection visuelle par carottage reste la méthode définitive — bien que destructive — pour confirmer l’état des goujons lorsque les données GPR ou MIT Scan indiquent des anomalies. La procédure de carottage standard consiste à forer une carotte de 4 pouces (102 mm) de diamètre à travers la chaussée centrée sur un emplacement de goujon, à extraire la carotte et à examiner visuellement le goujon pour vérifier la corrosion, l’état du revêtement et l’état de l’interface béton-goujon. La FAA recommande un minimum de trois carottes par élément (piste, voie de circulation, aire de trafic) à des emplacements de joints représentant la gamme des conditions observées. Le carottage permet également la mesure directe de la concentration en ions chlorure à la profondeur du goujon (en utilisant un essai de chlorure soluble dans l’acide selon ASTM C1152), ce qui fournit une base quantitative pour prédire le risque futur de corrosion. Une concentration en chlorure dépassant 0,025 pour cent en poids du béton (le seuil couramment cité pour l’initiation de la corrosion dans le béton conventionnellement armé) à la profondeur du goujon indique une forte probabilité que la corrosion active se produise ou soit imminente.

Retrofit de goujons (DBR) pour les chaussées existantes

Le retrofit de goujons (DBR) est une technique de préservation des chaussées en béton qui rétablit le transfert de charge à travers les joints transversaux et les fissures de travail existants en installant des goujons dans des saignées découpées dans le béton durci. Le DBR a été initialement développé dans les années 1980 grâce à des recherches parrainées par la Federal Highway Administration (FHWA) et a été déployé pour la première fois à grande échelle à Porto Rico, où le JPCP non goujonné sur des itinéraires à fort trafic connaissait un développement rapide du faïençage. La technique a depuis été adoptée par les agences routières et les autorités aéroportuaires du monde entier comme une alternative rentable au remplacement de dalle en pleine épaisseur ou au rechargement.

Le processus de construction du DBR suit une séquence stricte d’opérations. Premièrement, la découpe des saignées est réalisée à l’aide d’une scie à lames diamantées montées en batterie qui coupe des saignées parallèles — typiquement de 2,5 à 3 pouces (64 à 76 mm) de large et de 18 à 24 pouces (457 à 610 mm) de long — centrées sur le joint, perpendiculaires à la ligne du joint. Pour un joint d’autoroute ou de piste standard, trois à quatre saignées sont découpées par trajectoire de roue, avec au moins deux goujons installés par trajectoire de roue. Après la découpe, le béton dans la zone de la saignée est enlevé, le fond de la saignée est nettoyé, et toute eau stagnante est soufflée à l’air comprimé. Un goujon — typiquement du même diamètre que les goujons de conception d’origine — est placé dans chaque saignée, centré sur le joint, et supporté à la bonne élévation à l’aide de supports en plastique ou de supports métalliques. La moitié désolidarisée du goujon doit être orientée correctement, et une plaque de joint compressible est placée à la ligne du joint dans la saignée pour reformer l’ouverture du joint.

Le goujon est ensuite encapsulé à l’aide d’un matériau de réparation à haute résistance initiale — typiquement un béton au phosphate de magnésium, un mortier à base de ciment sulfo-alumineux à prise rapide, ou un coulis cimentaire modifié par polymères — qui atteint la résistance d’ouverture requise en 4 à 6 heures. Ce gain de résistance rapide est essentiel pour les applications aéroportuaires où les fenêtres de fermeture de chaussée sont sévèrement contraintes. Le matériau de réparation doit adhérer au béton existant, correspondre aux caractéristiques de dilatation thermique de la dalle hôte et résister aux mêmes expositions environnementales que la chaussée environnante. Après la prise du matériau de réparation, le joint est rouvert à la scie à travers la réparation jusqu’à la pleine profondeur du joint, nettoyé et refermé avec un produit de scellement à chaud ou au silicone pour rétablir l’intégrité étanche du système de joint.

La performance du DBR sous charges lourdes a été validée par de multiples programmes d’essais accélérés de chaussée à grande échelle. L’University of California Pavement Research Center a mené des essais au simulateur de véhicules lourds (HVS) sur des sections JPCP réhabilitées par DBR sur la US 101 près d’Ukiah, en Californie. Le HVS a appliqué une charge équivalente totale d’environ 11 millions d’ESAL à chacune des deux sections DBR — l’une avec des joints sciés rétrofités et l’autre avec des fissures transversales rétrofitées — sans qu’une seule défaillance par fatigue ne se produise dans les réparations ou les goujons. L’ETC s’est améliorée, passant de valeurs avant retrofit de l’ordre de 50 à 60 pour cent à des valeurs après retrofit dépassant 85 pour cent, et l’ETC est restée stable pendant toute la période de circulation. La section de contrôle sans DBR, en revanche, a montré des dommages progressifs au verrouillage des granulats et une baisse de l’ETC avec la circulation. Le Washington State DOT et le Minnesota DOT ont également documenté 10 à 15 ans de performance satisfaisante du DBR dans des déploiements sur le terrain, le principal mode de défaillance étant le décollement du matériau de réparation du béton hôte plutôt que la défaillance du goujon ou du joint.

Le DBR est approprié pour les chaussées qui répondent à des critères d’éligibilité spécifiques. Le National Concrete Pavement Technology Center (CP Tech Center) recommande le DBR pour les sections JPCP avec moins de 10 pour cent de remplacement de dalles, un faïençage moyen entre 3 mm (1/8 pouce) et 13 mm (1/2 pouce) , et un béton sain dans la partie inférieure de la dalle confirmé par carottage. Les chaussées présentant une fissuration de durabilité étendue (fissuration en D), une réactivité alcali-silice (RAS) ou une érosion sévère de la fondation sont de mauvais candidats car ces conditions continueront de se détériorer indépendamment du transfert de charge des joints. Le DBR est souvent combiné avec un meulage au diamant pour restaurer la douceur de surface et le profil en une seule intervention de réhabilitation, réalisant à la fois l’amélioration structurale au niveau des joints et l’amélioration fonctionnelle de la surface de roulement.

Transfert de charge des dalles PCC aéroportuaires

Les chaussées aéroportuaires en béton de ciment Portland (PCC) présentent des défis uniques pour la conception des goujons et le transfert de charge des joints au-delà de ceux rencontrés dans les chaussées routières. Les principaux facteurs de différenciation sont la magnitude et la configuration des charges de roues des aéronefs, la répartition spatiale du trafic sur de larges voies de chaussée, et la criticité opérationnelle qui exige une tolérance quasi nulle pour les détériorations liées aux joints qui pourraient générer des débris d’objets étrangers (FOD).

Les charges d’atterrisseurs d’aéronefs sont considérablement plus lourdes que les charges des camions routiers et sont appliquées par des pressions de pneus qui peuvent atteindre 200 à 250 psi (1,38 à 1,72 MPa) pour les avions gros-porteurs. Le train d’atterrissage principal du Boeing 777-300ER, par exemple, transmet environ 55 000 lb (245 kN) par pneu sur une configuration bi-tandem à six roues. Cette charge est appliquée sur une surface de contact du pneu d’environ 20 pouces (508 mm) de long sur 15 pouces (381 mm) de large, résultant en une pression de contact sur la surface de la chaussée environ deux à trois fois supérieure à celle d’un pneu de camion routier typique. La pression de contact plus élevée se propage à travers l’épaisseur de la dalle et se concentre à l’interface goujon-béton, exigeant des goujons de plus grand diamètre et un espacement plus rapproché que les conceptions routières.

L’AC 150/5320-6G de la FAA spécifie les dimensions et l’espacement des goujons en fonction de l’épaisseur de la dalle (Tableau 3-6), mais des considérations de conception supplémentaires s’appliquent pour des aéronefs et des conditions de trafic spécifiques. Le logiciel de conception de chaussées FAARFIELD intègre la contribution structurale des joints goujonnés via le modèle de réponse par éléments finis, tenant compte de la rigidité du joint en fonction du diamètre des goujons, de l’espacement, de l’épaisseur de la dalle et du support de fondation. Le module de conception de chaussées rigides de FAARFIELD traite les joints comme des plans de rigidité réduite plutôt que des bords libres, calculant l’effet combiné du transfert de charge des goujons et du verrouillage des granulats sur les contraintes de traction critiques. Le logiciel ne conçoit pas directement les goujons mais suppose que les goujons répondant aux exigences du Tableau 3-6 fournissent un transfert de charge suffisant pour atteindre le crédit structural intégré dans le modèle de défaillance de la FAA.

L’espacement des joints aéroportuaires interagit directement avec la demande en goujons. Le Tableau 3-7 de la FAA fournit les espacements maximaux recommandés pour les joints des chaussées rigides, typiquement 15 à 20 pieds (4,6 à 6,1 m) selon l’épaisseur de la dalle et le type de sous-couche. Des espacements de joint plus courts réduisent la magnitude absolue de l’ouverture du joint et donc réduisent les exigences sur le scellement du joint et les tolérances d’alignement des goujons, mais ils augmentent le nombre total de joints — et donc le nombre total de goujons — dans la chaussée. Pour une piste de 10 000 pieds (3 048 m) avec un espacement de joints de 18,75 pieds (5,7 m), environ 534 joints transversaux doivent être goujonnés sur la largeur de la piste, nécessitant plus de 12 800 goujons individuels pour une seule voie de piste. Cette échelle souligne pourquoi des améliorations mineures du coût unitaire du matériau des goujons, de la vitesse de mise en place ou de la durabilité se traduisent par des différences économiquement significatives au niveau du cycle de vie du projet.

Les barres de liaison — barres d’armature crénelées placées en travers des joints longitudinaux — complètent les goujons dans le système de joints aéroportuaires. Alors que les goujons transfèrent les charges verticales à travers les joints transversaux, les barres de liaison empêchent les joints longitudinaux de s’ouvrir et maintiennent le transfert de charge par verrouillage des granulats entre les voies de pavage adjacentes. Les barres de liaison ne sont pas conçues pour transférer le cisaillement vertical ; elles sont destinées à maintenir le joint longitudinal fermement fermé. Les spécifications de la FAA exigent des barres crénelées n°4 ou n°5, typiquement de 30 à 36 pouces (762 à 914 mm) de long, espacées de 30 à 40 pouces (762 à 1 016 mm) le long du joint longitudinal. La distinction entre les goujons (lisses, désolidarisés, joints transversaux, transfert de cisaillement) et les barres de liaison (crénelées, adhérentes, joints longitudinaux, maintien de tension) est fondamentale pour comprendre le système de chaussée en béton à joints comme un réseau intégré de transfert de charge.

Pour l’évaluation des chaussées aéroportuaires en service, le Chapitre 5 et l’Annexe C de l’AC 150/5320-6G de la FAA fournissent le cadre pour évaluer le transfert de charge des joints dans le cadre d’une évaluation structurale complète. Le processus d’évaluation commence par un relevé d’indice d’état de chaussée (PCI) selon ASTM D5340 pour identifier les joints présentant du faïençage, de l’écaillage ou une fissuration en coin — les manifestations visibles d’un transfert de charge inadéquat. Les joints dont les indices de détérioration PCI sont de sévérité moyenne ou élevée déclenchent des essais FWD/HWD pour quantifier l’ETC. La méthodologie de la FAA utilise l’ETC mesurée en conjonction avec les modules de dalle et de fondation rétro-calculés pour calculer le facteur d’endommagement cumulé (CDF) dans FAARFIELD, qui détermine si la chaussée dispose d’une durée de vie structurale résiduelle suffisante pour le trafic futur projeté. Les joints avec une ETC inférieure à 60-70 pour cent dans les zones critiques des pistes — en particulier dans la zone primaire de toucher des roues — incitent généralement à envisager le DBR, la réparation localisée, ou le remplacement de dalle en pleine épaisseur selon l’étendue et la sévérité de la détérioration.

L’interaction entre le transfert de charge des joints et les sous-couches stabilisées — couche de base traitée au ciment (CTB), couche de base en béton maigre, ou couche de base traitée à l’asphalte — introduit des considérations de conception supplémentaires pour les chaussées aéroportuaires. Les sous-couches stabilisées fournissent une plateforme rigide et résistante à l’érosion qui réduit les déflexions verticales et maintient un support uniforme sous charges répétées. Cela réduit la demande de cisaillement sur les goujons car une partie du transfert de charge se produit à travers la couche de base sous le joint. Cependant, si la base stabilisée se fissure ou s’érode sous le joint — une détérioration courante dans les chaussées mal drainées — la charge précédemment supportée par la base se reporte brusquement sur les goujons, pouvant les surcharger. La philosophie de conception de la FAA traite donc la contribution de la couche de base comme un renforcement de fiabilité plutôt qu’un substitut à une conception adéquate des goujons, et les dimensions du Tableau 3-6 s’appliquent quel que soit le type de sous-couche.

En résumé, le système de goujons dans les chaussées en béton aéroportuaires opère à l’intersection de la mécanique des structures, de la science des matériaux, du contrôle qualité de la construction et de la gestion de la durabilité à long terme. De la conception initiale selon les tableaux dimensionnels de la FAA en passant par la vérification de la mise en place avec le MIT Scan-2, la mesure périodique de l’ETC avec le FWD/HWD, et finalement la réhabilitation via le retrofit de goujons lorsque la performance se dégrade, chaque phase du cycle de vie du goujon exige une attention rigoureuse en ingénierie. Les conséquences d’une sous-performance — joints faïencés, éclats générateurs de FOD et fermetures non planifiées de pistes — renforcent pourquoi cette barre d’acier apparemment simple reste l’un des composants les plus soigneusement étudiés et spécifiés dans l’ingénierie des chaussées aéroportuaires.