Que sont les goujons dans les joints des chaussées en béton ?

Définition

Un goujon est une barre d’acier lisse qui traverse un joint d’une chaussée en béton et transfère la charge d’une dalle à la suivante. La FAA emploie le mot « panel » pour désigner une dalle. L’AC 150/5320-6G indique que les goujons assurent le transfert de charge à travers le joint et empêchent le déplacement vertical relatif des bords de dalles voisines (3.16.10.2).

La barre est lisse, et non crénelée. Une barre lisse peut glisser dans le béton, de sorte que le joint peut s’ouvrir et se fermer. La spécification P-501 demande des barres d’acier lisses conformes à l’ASTM A615, sans bavures qui gêneraient le glissement. Chaque barre a un revêtement époxy conforme à l’ASTM A1078 de type 1, d’une épaisseur supérieure à 10 mils, et un agent de rupture d’adhérence fourni par le fabricant. Les manchons et les inserts de goujons ne sont pas admis (501-2.7). L’ingénieur peut demander des barres de chrome (ASTM A1035) ou des barres d’acier inoxydable (ASTM A955), après concertation avec la FAA.

Fonctionnement d’un goujon

Lorsqu’une roue charge une dalle, le goujon transmet une partie de la charge à la dalle suivante. La FHWA indique que les goujons assurent un transfert de charge positif à travers un joint. Cela réduit fortement les déflexions et les contraintes au joint, et donc le risque de pompage, de dénivellation et de fissuration des dalles (FHWA-HIF-07-021, p. 1).

Les recherches montrent que le principal mécanisme de transfert de charge d’un goujon est le cisaillement. La flexion de la barre compte peu, surtout lorsque le joint s’ouvre de moins de 1/4 in (Snyder, p. 2). Snyder indique que le goujon critique d’un joint routier porte généralement moins de 3 000 lb. Le cisaillement et la flexion ne déterminent donc pas le diamètre d’une barre d’acier. Le diamètre compte pour une autre raison. Un goujon plus rigide réduit la contrainte d’appui entre la barre et le béton, ce qui ralentit la progression de la dénivellation (Snyder, p. 2 à 3).

La barre doit aussi laisser le joint se déplacer. La température et le retrait de séchage ouvrent et ferment les joints. Pour des dalles de 15 ft (4,6 m), la FHWA donne un mouvement typique du joint de 2 à 3 mm (0,08 à 0,12 in). Cela vaut même dans les régions plus froides (FHWA-HIF-07-021, p. 3). L’agent de rupture d’adhérence sur la barre lui permet de glisser dans le béton pendant ce mouvement. Snyder conseille un agent de rupture sur au moins la moitié de la longueur de chaque barre. Une couche semi-solide doit être mince, car une couche épaisse peut ressembler à une perte de transfert de charge (Snyder, p. 11).

Les goujons en acier ne sont pas une technique nouvelle. Le premier cas signalé aux États-Unis remonte à l’hiver 1917-1918, et en 1930 près de la moitié des États en exigeaient (Snyder, p. 1).

Goujons et barres d’attache

Une barre d’attache est un élément différent. C’est une barre crénelée qui maintient fermé un joint longitudinal. L’AC 150/5320-6G indique que les barres d’attache ne jouent pas le rôle de dispositifs de transfert de charge. Elles maintiennent les faces de la dalle en contact étroit, de sorte que l’engrènement granulaire peut transmettre la charge (3.16.10.1). Les deux éléments diffèrent comme suit :

• Un goujon est en acier lisse, revêtu d’époxy et d’un agent de rupture d’adhérence. Une barre d’attache est en acier crénelé conforme à l’ASTM A615 (501-2.7).
• Un goujon est parallèle à la surface de la chaussée et glisse dans le béton (FHWA-HIF-07-021, p. 2). Une barre d’attache n’est jamais peinte, graissée ni placée dans un fourreau, et elle est maintenue au milieu de l’épaisseur de la dalle (501-4.10).
• Un goujon transmet la charge à travers un joint de contraction ou de construction. Une barre d’attache maintient fermé un joint longitudinal. L’AC 150/5320-6G fixe les barres d’attache des joints de contraction longitudinaux situés à 20 ft (6 m) ou moins d’un bord libre lorsque la dalle a 9 in (225 mm) d’épaisseur ou moins. Une dalle de 6 in (150 mm) ou moins reçoit des barres n° 4 de 20 in (510 mm) de long, espacées de 36 in (900 mm) entre axes. Une dalle plus épaisse reçoit des barres n° 5 de 30 in (762 mm) de long, espacées de 30 in entre axes (3.16.10.1).

Où les aéroports posent des goujons

• Les trois derniers joints de contraction transversaux à partir d’un bord libre (3.16.10.2.1). L’AC indique qu’une base stabilisée assure l’appui de la dalle, de sorte que davantage de goujons apporte peu d’avantage.
• Tous les joints de construction, longitudinaux ou transversaux. Un bord épaissi ou renforcé peut remplacer les goujons (3.16.10.2.2). Pour les aéronefs de 30 000 lb (13 610 kg) ou plus, l’AC utilise un joint de type E avec goujons. Un joint en about (type F) n’a pas de goujons. Il peut servir aux chaussées d’aéronefs de moins de 30 000 lb posées sur une base stabilisée, ou aux recouvrements en béton d’une chaussée souple (3.16.9.5).
• Les joints de contraction longitudinaux situés à 20 ft (6 m) ou moins d’un bord libre, dans les dalles de plus de 9 in d’épaisseur (tableau 3-5, type de joint C).

Lorsqu’un joint longitudinal et un joint transversal se rencontrent, l’AC retire si nécessaire un goujon ou une barre d’attache du joint longitudinal. La barre restante se trouve à 12 in (300 mm) de l’extrémité des goujons transversaux (figure 3-5, note 1).

Goujons dans les joints d’isolement et de dilatation

Les joints d’isolement ne reçoivent pas de goujons. Le P-501 indique qu’un joint d’isolement sert surtout à séparer des ouvrages aux fondations différentes et des chaussées aux trames de joints différentes. Il ne permet pas à la matière de se dilater en se comprimant. Il laisse le joint glisser, de sorte qu’il ne devrait presque jamais y avoir lieu d’y mettre un goujon. Un bord épaissi est la méthode de transfert de charge préférée à cet endroit (501-4.10).

La pratique routière diffère. Un guide de l’université d’État de l’Iowa recommande des capuchons de dilatation aux extrémités des goujons, dans les constructions neuves et uniquement aux joints de dilatation. Le capuchon se place sur l’extrémité non soudée de chaque goujon dans le panier. Le guide indique que les capuchons ne sont pas nécessaires aux joints de contraction et de construction (Snyder, p. 11). La liste de contrôle de la FHWA pour le retrofit demande aussi des capuchons en plastique à chaque extrémité d’un goujon de retrofit, pour tenir compte de la dilatation de la chaussée.

Dimensions et espacement

Le tableau 3-6 de l’AC 150/5320-6G donne le diamètre, la longueur et l’espacement des goujons en acier selon l’épaisseur de la dalle.

L’AC demande de dimensionner les goujons pour les contraintes de cisaillement et de flexion dues à la charge. Elle demande aussi une longueur et un espacement qui évitent la rupture du béton sous la contrainte d’appui (3.16.10.2.3). Une note de rédaction du P-501 ajoute une limite près de la ligne de joint. Un goujon ou une barre d’attache n’est pas placé à moins de 0,6 fois sa longueur de la ligne de joint prévue. Si la dernière barre régulière est plus proche, elle s’éloigne jusqu’à cette distance, mais jamais à moins de 6 in (150 mm) de sa voisine (501-4.10).

La pratique routière est proche, sans être identique. La règle empirique en vigueur depuis les années 1960 fixe le diamètre du goujon, en huitièmes de pouce, égal à l’épaisseur de la dalle en pouces. Les barres mesurent 18 in de long et sont espacées de 12 in entre axes. L’ACI Committee 325 a recommandé en 1956 la longueur de 18 in et l’espacement de 12 in. Les agences diffèrent aujourd’hui. Dans l’enquête de Snyder de 2009, les diamètres employés par les États pour une dalle de 10 in se situent entre 1 1/4 in et 1 1/2 in (Snyder, p. 1 à 3).

Mise en place

L’alignement et la cote décident du comportement d’un joint muni de goujons (3.16.10.2.4). L’AC maintient les goujons dans une cage ou un panier en fil, solidement ancré à la base. Elle admet aussi une finisseuse équipée d’un dispositif automatique de pose de goujons.

La spécification P-501 fixe ces limites (501-4.10) :

• Espacement horizontal à 3/4 in (19 mm) près.
• Position verticale à 1/2 in (12 mm) près.
• Alignement horizontal et vertical de 1/4 in par pied au plus (6 mm par 0,3 m).

La partie mobile de chaque goujon reçoit une fine pellicule d’huile lubrifiante ou une graisse légère avant que la finisseuse ne mette le béton en place. L’entrepreneur peut insérer les goujons dans le béton frais. Le RPR approuve cette méthode à partir d’une bande d’essai, où des carottes ou des appareils non destructifs de localisation d’armatures confirment que les goujons sont dans les tolérances. La spécification P-501 cite comme exemples le scanner MIT, le pachomètre et le R-mètre. Dans le béton durci, les goujons se posent dans des trous forés, 1/8 in (3 mm) plus grands que le goujon, et une résine époxy les scelle. Le béton doit avoir 7 jours ou atteindre la résistance prescrite avant que le forage ne commence.

Désalignement

La FHWA nomme quatre types de désalignement (FHWA-HIF-07-021, p. 2) :

• Biais horizontal : le goujon tourne dans le plan horizontal, de sorte qu’il n’est pas parallèle au joint longitudinal.
• Inclinaison verticale : le goujon s’incline dans le plan vertical, de sorte qu’il n’est pas parallèle à la surface de la chaussée.
• Décalage longitudinal : le goujon est décentré, de sorte qu’un côté a moins d’ancrage.
• Décalage vertical : le goujon se trouve au-dessus ou au-dessous de la mi-épaisseur, de sorte qu’il y a moins d’enrobage sur une face.

En général, le biais et l’inclinaison affectent le libre mouvement du joint. Le décalage affecte la qualité du transfert de charge de chaque barre. Le niveau critique de biais ou d’inclinaison est celui auquel le joint peut se bloquer ou le béton autour de la barre peut s’écailler. La limite usuelle aux États-Unis pour le biais ou l’inclinaison est de 6 à 10 mm (0,25 à 0,375 in) sur une barre de 18 in. La limite usuelle pour le décalage est de 25 mm (1 in), car la marge pour le décalage est beaucoup plus grande (FHWA-HIF-07-021, p. 2). La spécification P-501 limite l’alignement à 1/4 in par pied, soit 3/8 in sur une barre de 18 in, ce qui se situe dans cette plage.

L’effet du désalignement est réel, mais plus faible que ne le laissent entendre de nombreuses spécifications. La FHWA indique que beaucoup de chaussées en service ont quelques goujons très désalignés sans dégradation visible. En laboratoire, l’écaillage et la fissuration n’apparaissaient qu’à des déplacements plusieurs fois supérieurs au mouvement du joint sur le terrain. Un joint bloqué ne nuit pas à une chaussée, mais une série de joints bloqués consécutifs n’est pas souhaitable, car la contrainte de retenue s’accumule (FHWA-HIF-07-021, p. 3). Un désalignement sévère peut concentrer les contraintes, ce qui conduit à la formation d’une cuvette autour de la barre (funneling) et à une perte de transfert de charge.

Une étude de la FHWA de 2020 a utilisé le balayage MIT sur des sections d’essai du programme LTPP (Long-Term Pavement Performance). Elle a constaté que la majorité des goujons étaient bien alignés. Le désalignement avait son plus grand effet sur le transfert de charge aux joints transversaux, et son effet sur la dénivellation dépend d’autres facteurs. Elle n’a trouvé aucun lien définitif entre le désalignement et la fissuration ou l’écaillage, sauf une certaine influence dans trois États. La FHWA précise que cela ne signifie pas que des goujons très désalignés n’ont aucun effet, en particulier sur les dégradations localisées (FHWA-HRT-20-070). Ce sont des constats routiers. Les documents de la FAA fixent leurs propres tolérances pour les aérodromes.

Corrosion et jeu

Les goujons en acier au carbone se corrodent facilement, surtout là où les sels de déglaçage atteignent le joint. Snyder décrit deux dommages. Lorsque la corrosion débute au joint et gagne les dalles, l’écart entre le goujon et le béton s’agrandit. Les déflexions et les contraintes augmentent, le transfert de charge diminue, et le pompage et la dénivellation suivent. Les produits de corrosion gonflent aussi autour de la barre, ce qui peut provoquer un écaillage sévère du joint ou des fissures au milieu de la dalle (Snyder, p. 6).

Le revêtement époxy est la protection la plus répandue. Il agit comme une barrière. Sa performance à long terme a varié. Là où des sels de déglaçage sont employés, un petit défaut de fabrication, de transport ou de manutention peut amorcer la corrosion (Snyder, p. 6 à 7). Les goujons en acier inoxydable sont une solution de remplacement. Le P-501 permet à l’ingénieur de demander des barres de chrome ou d’acier inoxydable, après concertation avec la FAA (501-2.7).

Efficacité du transfert de charge

L’efficacité du transfert de charge (ETC) indique la part de la charge qu’un joint transmet à la dalle suivante. L’AC définit l’ETC en déflexion comme la déflexion de la dalle non chargée divisée par la déflexion de la dalle chargée, multipliée par 100 % (équation C-3). Les essais FWD et HWD aux joints la mesurent (C.8.3). La part de charge transmise dépend de la configuration des essieux, de la surface de contact des pneus, de la température de la chaussée, des goujons et d’une base stabilisée (C.15.3).

La conception de la FAA suppose que le transfert de charge réduit de 25 % la contrainte au bord libre d’une dalle. La relation entre l’ETC en déflexion et l’ETC en contrainte n’est pas linéaire, de sorte que l’AC demande une analyse supplémentaire (C.15.5). L’AC indique aussi que la dégradation du joint et la baisse de l’ETC augmentent les déflexions aux angles des dalles, ce qui peut créer des vides sous la dalle (C.5.3).

Les agences routières agissent souvent sur un seuil. Snyder signale des seuils d’intervention typiques de 50 à 70 % d’ETC pour la restauration du transfert de charge, le sous-scellement ou le remplacement du joint. Il avertit aussi que l’ETC seul ne dit pas tout. Une chaussée bien appuyée peut afficher 40 % d’ETC avec de très faibles déflexions. Une chaussée faible peut afficher 70 % avec de grandes déflexions et une grande différence de part et d’autre du joint. Effectuez l’essai d’ETC lorsque la dalle est à 70 °F (21 °C) ou moins. Une dalle chaude referme le joint et donne des valeurs d’ETC élevées (Snyder, p. 20).

Les goujons lors d’une inspection

Les goujons sont à l’intérieur de la dalle, de sorte qu’un inspecteur n’en voit que les symptômes. L’AC 150/5380-6C les répertorie (3.2.2) :

• L’épaufrure du joint, qui résulte aussi d’un désalignement des goujons.
• Les fissures d’angle, où la perte d’appui peut venir du pompage ou de la perte de transfert de charge au joint.
• Le tassement ou la dénivellation, soit une différence d’altitude à un joint ou à une fissure.
• Le pompage, soit l’éjection d’eau et de matériaux sous-jacents par les joints ou les fissures. Un pompage près des joints indique un mauvais transfert de charge au joint, un mauvais scellement du joint ou la présence d’eau souterraine.

Le manuel PAVER cote la dénivellation selon la différence d’altitude au joint. Sur les pistes et les voies de circulation, une différence inférieure à 6 mm (1/4 in) est de faible sévérité. Une différence de 6 à 13 mm (1/4 à 1/2 in) est de sévérité moyenne, et une différence supérieure à 13 mm (1/2 in) est élevée. Sur les aires de trafic, la faible sévérité va de 3 à 13 mm (1/8 à 1/2 in), et la sévérité moyenne de 13 à 25 mm (1/2 à 1 in). Au-delà de 25 mm (1 in), la sévérité est élevée. Une règle ou un niveau mesure la différence.

Pour voir les goujons eux-mêmes, l’inspecteur a besoin d’un outil qui regarde à l’intérieur de la dalle :

• Les carottes montrent la barre, son revêtement et l’écart qui l’entoure, mais elles endommagent la dalle.
• Les détecteurs d’armatures non destructifs, comme le scanner MIT, le pachomètre et le R-mètre. Le P-501 les utilise pour contrôler la mise en place (501-4.10). La FHWA indique que le balayage MIT mesure l’alignement des goujons sans dommage. En 2007, elle a indiqué qu’une équipe de deux personnes pouvait contrôler 400 joints ou plus en une journée de 8 heures avec le MIT Scan-2 (FHWA-HIF-07-021, p. 1).
• Le géoradar (GPR) peut localiser les armatures dans le béton, et les hautes fréquences donnent la meilleure résolution à faible profondeur (AC 150/5320-6G, E.1).

Retrofit de goujons

L’AC 150/5320-6G indique qu’un retrofit de goujons ou une reconstruction peut être nécessaire si de grandes surfaces pompent ou basculent (4.10.2). Lors d’un retrofit, les équipes scient des saignées parallèles à travers le joint et y posent des goujons revêtus. Elles remplissent ensuite les saignées avec un matériau de réparation et reforment le joint. La liste de contrôle de la FHWA donne ces points pour l’inspection :

• Les saignées sont parallèles entre elles et à l’axe, typiquement à 1/4 in près par 12 in de longueur de barre.
• On compte typiquement trois ou quatre saignées par trace de roue.
• Des capuchons en plastique se placent à chaque extrémité du goujon, et un produit de rupture d’adhérence empêche le matériau de réparation d’adhérer à la barre.
• Des chaises maintiennent le goujon dans la saignée, typiquement avec un jeu de 1/2 in dessous, de sorte que le matériau de réparation entoure la barre.

Une réparation pleine épaisseur d’une fissure d’angle est un autre type de travaux. L’AC 150/5380-6C propose deux options (annexe A). Les équipes peuvent conserver les goujons apparents en sciant juste au-delà de leurs extrémités. Elles peuvent aussi scier le joint et poser de nouveaux goujons de même type et de même dimension dans des trous forés et scellés à la résine époxy.