Voilage et Curling des Dalles dans les Chaussées en Béton

Définition et Distinction : Curling versus Voilage

Le curling et le voilage sont deux formes de déformation de dalle étroitement liées mais mécaniquement distinctes dans les chaussées en béton de ciment Portland (PCC). Tous deux décrivent l’écart d’une dalle en béton par rapport à sa géométrie plane d’origine, résultant en une surface courbe ou déformée. La distinction réside dans le mécanisme moteur.

Le curling est la courbure induite dans une dalle de chaussée en béton par un gradient de température à travers l’épaisseur de la dalle. Le terme fait spécifiquement référence à la déformation causée par la dilatation ou la contraction thermique différentielle entre les surfaces supérieure et inférieure de la dalle. Lorsque le dessus de la dalle est plus chaud que le dessous (gradient de température positif), le dessus se dilate par rapport au dessous, provoquant la courbure des bords de la dalle vers le bas. Lorsque le dessus est plus froid que le dessous (gradient de température négatif), le dessus se contracte par rapport au dessous, provoquant la courbure des bords de la dalle vers le haut.

Le voilage est la courbure causée par un gradient d’humidité à travers l’épaisseur de la dalle, produisant des changements volumétriques différentiels dus au retrait de séchage ou au gonflement par l’humidité. La surface supérieure, exposée à l’air ambiant et au rayonnement solaire, sèche et se rétracte par rapport au dessous de la dalle qui reste humide par contact avec le sol ou un pare-vapeur. Inversement, si le dessous de la dalle absorbe l’humidité d’une fondation humide tandis que le dessus reste sec, le dessous se dilate par rapport au dessus. Dans les deux cas, le changement volumétrique différentiel crée un moment de voilage qui courbe la dalle.

Dans la pratique courante, la déflexion mesurée de la dalle est presque toujours une combinaison des effets de température et d’humidité. L’American Concrete Institute (ACI) et la National Ready Mixed Concrete Association (NRMCA) notent que les termes curling et voilage sont souvent utilisés de manière interchangeable sur le terrain, le terme « curling » étant utilisé génériquement pour décrire les déflexions verticales vers le haut aux bords des dalles, indépendamment du mécanisme moteur. Cependant, une analyse technique appropriée nécessite de distinguer les deux car les stratégies d’atténuation diffèrent — le curling thermique est traité par l’espacement des joints et l’épaisseur de la dalle, tandis que le voilage par l’humidité nécessite l’optimisation de la formulation du mélange et une cure appropriée.

Un troisième concept, le curling intrinsèque, fait référence à la courbure qui est verrouillée dans la dalle pendant la construction. Cela se produit parce que le béton prend et durcit alors qu’un gradient de température ou une différence d’humidité existe à travers l’épaisseur de la dalle. La chaleur d’hydratation lors de la prise du ciment crée une élévation de température interne, et si la surface refroidit plus vite que l’intérieur (ce qui est typique dans la plupart des mises en place), une différence de température se développe alors que le béton est encore plastique. Lorsque le béton acquiert une résistance suffisante pour résister à toute déformation supplémentaire, la courbure existante est « figée » dans la dalle. Ce curling intrinsèque se combine ensuite au curling thermique diurne et au voilage par l’humidité à long terme pour créer la courbure totale mesurée de la dalle. Les études FHWA Long-Term Pavement Performance (LTPP) ont identifié le curling intrinsèque comme un contributeur significatif à la fissuration précoce et à la réduction de la durée de vie des chaussées.

Mécanisme Détaillé du Curling et du Voilage

Mécanisme du Curling par Gradient Thermique

Le phénomène de curling est fondamentalement régi par le comportement thermo-mécanique du béton en tant que matériau. Le béton a un coefficient de dilatation thermique (CTE) allant typiquement de 6 à 13 microdéformations par degré Celsius (με/°C), selon le type de granulat. Les granulats calcaires produisent des valeurs de CTE plus faibles (6–8 με/°C), tandis que les granulats de quartzite et siliceux produisent des valeurs plus élevées (10–13 με/°C). Lorsqu’une différence de température existe à travers l’épaisseur de la dalle, le côté le plus chaud se dilate plus que le côté le plus froid, créant une déformation différentielle qui force la dalle à se courber.

L’équation gouvernant la déflexion de curling au bord de la dalle, basée sur la théorie de curling de Westergaard (1927) modifiée par Bradbury et implémentée dans le modèle FHWA HIPERPAV, est :

Ye = (1 + ν) × α × ΔT × ℓ² / h

Où :

• Ye = déflexion au bord (mm ou in)
• ν = coefficient de Poisson du béton (typiquement 0,15–0,20)
• α = coefficient de dilatation thermique (με/°C ou με/°F)
• ΔT = différence de température entre le dessus et le dessous (°C ou °F)
• ℓ = rayon de rigidité relative (mm ou in)
• h = épaisseur de la dalle (mm ou in)

Le rayon de rigidité relative (ℓ) est un paramètre fondamental qui décrit la résistance de la dalle à la flexion sous charge :

ℓ = ⁴√[E × h³ / (12 × (1 − ν²) × k)]

Où :

• E = module d’élasticité du béton (MPa ou psi)
• k = module de réaction de la fondation (MPa/m ou lb/in³)

L’équation de Westergaard montre que la déflexion de curling augmente avec le carré du rayon de rigidité relative (ℓ²), ce qui signifie que les fondations plus rigides (valeur de k plus élevée) réduisent le curling en diminuant ℓ. La déflexion est également directement proportionnelle à la différence de température (ΔT) et au CTE (α), et inversement proportionnelle à l’épaisseur de la dalle (h). Un gradient de température positif (journée — dessus plus chaud que le dessous) produit un ΔT positif, provoquant la courbure de la dalle vers le bas aux bords avec le centre qui se soulève vers le haut. Un gradient de température négatif (nuit — dessus plus froid que le dessous) produit un ΔT négatif, provoquant le curling vers le haut aux bords.

Le cycle quotidien du curling suit un schéma prévisible. Pendant l’après-midi au pic de rayonnement solaire (généralement de 13 h 00 à 15 h 00), le gradient de température positif atteint son maximum, allant souvent de 5 °C à 15 °C (9 °F à 27 °F) selon la température ambiante, l’intensité solaire, la vitesse du vent et la couleur de la dalle. Au coucher du soleil, la surface commence à se refroidir et le gradient diminue. En fin de soirée, le gradient s’inverse alors que la surface continue de rayonner la chaleur tandis que l’intérieur de la dalle conserve la chaleur du gain solaire de la journée. Le gradient négatif maximum (curling vers le haut maximum) se produit 2 à 3 heures avant le lever du soleil, lorsque la surface s’est refroidie à sa température minimale tandis que le dessous de la dalle reste à une température quasi constante grâce au puits de chaleur du sol.

La FHWA TechBrief sur le Curling et le Voilage (FHWA-HIF-10-010) rapporte que le gradient de température diurne dans les chaussées PCC typiques varie de −0,3 °C/cm à +1,0 °C/cm (−1,6 °F/in à +5,5 °F/in) à travers l’épaisseur de la dalle. La magnitude de la déflexion de curling quotidienne est typiquement de 15 à 25 pour cent de la courbure totale de la dalle, le reste étant attribué au curling intrinsèque et au voilage par l’humidité.

Mécanisme du Voilage par Gradient d’Humidité

Le voilage par l’humidité est entraîné par le retrait de séchage différentiel à travers l’épaisseur de la dalle. Lorsque la surface supérieure d’une dalle en béton est exposée à l’air ambiant avec une humidité relative (HR) inférieure à l’HR interne du béton (qui est proche de 100 pour cent dans le béton frais), l’humidité s’évapore de la surface. Cette perte d’humidité provoque le retrait de la couche superficielle. Cependant, le dessous de la dalle reste en contact avec le sol ou un pare-vapeur, maintenant des conditions quasi saturées. Cette différence crée un gradient de retrait qui produit un moment de voilage, courbant les bords de la dalle vers le haut.

Les recherches de Carlson (1934) ont établi que la perte d’humidité dans les dalles en béton est significative seulement dans les premiers 50 mm (2 in) environ de la dalle, quelle que soit l’épaisseur totale. Le gradient de retrait est donc concentré près de la surface. La magnitude du moment de voilage dépend de plusieurs facteurs :

• Humidité relative ambiante — une HR plus faible augmente le taux d’évaporation et le potentiel moteur du retrait de séchage, produisant des gradients de retrait plus importants et un voilage vers le haut plus prononcé. Une dalle à Phoenix (HR moyenne 30–40 pour cent) présentera significativement plus de voilage qu’une dalle à Houston (HR moyenne 70–80 pour cent) avec une formulation de mélange identique.
• Type de ciment — les ciments avec une teneur en C₃A plus élevée (Type III à haute résistance initiale) présentent un retrait de séchage plus important que ceux avec une teneur en C₃A plus faible (Type V résistant aux sulfates).
• Type et teneur en granulats — les granulats avec un module plus faible et une absorption plus élevée produisent un retrait plus important. Un volume de granulats plus élevé réduit le volume de pâte, diminuant le retrait total.
• Rapport eau/liants — un rapport e/liant plus élevé augmente la porosité de la pâte de ciment, permettant un plus grand mouvement d’humidité et un retrait de séchage plus élevé.
• Efficacité de la cure — une cure inadéquate ou retardée permet une perte d’humidité prématurée, amplifiant le gradient de retrait.

Les recherches de Nagataki ont démontré que le plus grand gradient de retrait se produit lorsque le dessous de la dalle repose sur un sol humide tandis que le dessus sèche — le dessous absorbe l’humidité et se dilate tandis que le dessus se rétracte, créant un moment de voilage composé. Janssen a calculé que le retrait différentiel seul produit un moment de curling appliqué d’environ 2 500 in-lb par pouce de largeur de dalle pour une chaussée de 200 mm (8 in) d’épaisseur, ce qui est comparable au moment produit par un gradient de température modéré.

La condition d’humidité de la fondation est critique pour le comportement de voilage. Les dalles posées sur des pare-vapeur (feuilles de polyéthylène) développent des gradients de retrait plus importants que celles posées sur des sols absorbants car le dessous de la dalle ne peut pas perdre d’humidité vers le bas à travers la barrière. Le dessous scellé reste complètement saturé tandis que le dessus sèche, maximisant la différence. C’est pourquoi l’ACI et la NRMCA mettent en garde contre la pose de pare-vapeur directement sous les dalles intérieures sur sol sans couche de lit granulaire.

Curling vers le Haut versus Curling vers le Bas

La direction de la déflexion de la dalle — vers le haut ou vers le bas — dépend du signe du gradient (température ou humidité) à travers l’épaisseur de la dalle. Comprendre quelle condition prévaut et quand est essentiel pour l’évaluation des chaussées car les deux conditions produisent des effets fondamentalement différents sur les performances de la chaussée.

Le curling vers le haut est la condition la plus critique pour les performances de la chaussée et le développement des détresses. Lorsque les bords des dalles se courbent vers le haut :

• Perte de contact avec la fondation — le bord et le coin de la dalle se soulèvent hors de la fondation, créant un vide. La longueur non supportée au bord de la dalle est d’environ 10 pour cent de la longueur de la dalle aux joints goujonnés et jusqu’à 20 pour cent aux joints non goujonnés. Cette perte de support augmente les contraintes de flexion sous le trafic d’un facteur 2 à 3.
• Ouverture des joints — le curling vers le haut ouvre le joint plus largement en surface, réduisant ou éliminant le transfert de charge par verrouillage des granulats. Les recherches ont établi que les ouvertures de joint dépassant 0,6 mm (0,024 in) entraînent une perte totale du verrouillage des granulats, reportant toutes les exigences de transfert de charge sur les goujons ou d’autres systèmes mécaniques.
• Infiltration d’eau et de matériaux incompressibles — le joint ouvert permet à l’eau, au sable, aux produits de déverglaçage et aux débris de pénétrer dans le joint et le vide sous la dalle. L’eau accélère le ramollissement du sol, et les matériaux incompressibles empêchent la fermeture du joint, conduisant à l’écaillage et aux soulèvements.
• Pompage — lorsque les charges de trafic passent sur une dalle curvée vers le haut, la dalle bascule sur sa fondation, pompant l’eau et les fines hors du dessous de la dalle à travers le joint ouvert. Le pompage accélère le faïençage (déplacement vertical à travers le joint).

Le curling vers le bas produit des effets différents mais également significatifs :

• Le centre de la dalle perd son support — le centre de la dalle se soulève tandis que les bords s’appuient vers le bas, créant un vide sous la région médiane du panneau.
• Les contraintes de traction au milieu du panneau augmentent — la combinaison du curling vers le bas et du chargement du trafic produit des contraintes de traction à la surface supérieure de la dalle dans la région médiane, ce qui peut contribuer à la fissuration longitudinale.
• Le chargement des bords augmente — le curling vers le bas force les bords de la dalle en contact plus ferme avec la fondation, ce qui peut augmenter les contraintes de charge en bordure sur la fondation et le sol.

La criticité du curling vers le haut par rapport au curling vers le bas explique pourquoi les relevés de l’état des chaussées sont souvent effectués tôt le matin — c’est à ce moment que le curling vers le haut est à son maximum, rendant la perte de support, l’ouverture des joints et l’instabilité des dalles les plus visibles pour l’inspecteur. De nombreux relevés d’indice de condition des chaussées aéroportuaires (PCI) suivant l’ASTM D5340 sont effectués le matin spécifiquement pour capturer la chaussée dans son état le plus vulnérable.

Effets sur les Performances de la Chaussée

Efficacité du Transfert de Charge

Le curling dégrade directement l’efficacité du transfert de charge (LTE) à travers les joints transversaux et longitudinaux. La déflexion vers le haut des coins de dalle réduit la zone de contact entre les dalles adjacentes à l’interface du joint. Pour les joints à verrouillage de granulats (non goujonnés), cette réduction de la zone de contact signifie que moins de particules de granulats sont engagées dans le transfert de charge par cisaillement de la dalle chargée vers la dalle non chargée. Lorsque l’ouverture du joint dépasse 0,6 mm, le verrouillage des granulats est effectivement perdu, et le joint se comporte comme s’il n’avait aucun mécanisme de transfert de charge.

Pour les joints goujonnés, le curling est moins préjudiciable mais reste significatif. Les barres de goujon fournissent un transfert de charge mécanique positif quelle que soit l’ouverture du joint, donc les joints goujonnés maintiennent un LTE plus élevé même en cas de curling important. Cependant, les goujons peuvent être bloqués si le curling crée un coincement à l’interface goujon-béton, ou peuvent devenir inefficaces si le curling soulève tellement la dalle que le goujon n’est plus correctement engagé dans son logement. La méthode FHWA de l’Indice de Courbure de Deuxième Génération (2GCI) a été développée spécifiquement pour identifier les joints qui sont « actifs » versus « bloqués » en fonction des forces induites par la courbure au niveau du joint.

Amplification des Contraintes dans les Coins

La combinaison du curling et du chargement du trafic produit des contraintes de traction critiques aux coins des dalles. Lorsqu’un coin de dalle se courbe vers le haut, il devient un porte-à-faux non supporté dépassant du corps de la dalle. Lorsqu’une charge de trafic (train d’atterrissage d’aéronef ou essieu de camion) est appliquée à ce coin non supporté, la contrainte de flexion à la surface supérieure de la dalle au niveau du coin est la somme de :

• Contrainte induite par la charge — contrainte de flexion due à la charge de trafic agissant sur la dalle comme un porte-à-faux
• Contrainte de curling — contrainte de traction due au gradient de température (dessus plus froid que le dessous pour le curling vers le haut)
• Contrainte de voilage — contrainte de traction due au gradient d’humidité (dessus plus sec que le dessous)
• Contrainte résiduelle — toute contrainte bloquée du curling intrinsèque lors de la construction

La contrainte totale peut dépasser la résistance à la flexion du béton (module de rupture) sous une seule application de charge lourde, ou plus communément, dépasser la résistance à la fatigue sous des applications de charge répétées, conduisant au développement progressif de fissures. Les études FHWA LTPP ont montré que les contraintes de curling et de voilage contribuent significativement à l’accumulation de dommages par fatigue dans les chaussées PCC et doivent être prises en compte dans les procédures de conception mécanistico-empiriques telles que AASHTOWare Pavement ME Design et le programme FAA FAARFIELD.

Perte de Support de la Fondation et Pompage

Le vide créé sous un coin de dalle curvé modifie fondamentalement le comportement structural de la chaussée. Au lieu d’une dalle supportée sur une fondation élastique continue (le modèle de Westergaard), la dalle curvée se comporte comme une dalle avec une condition de support discontinue — supportée à l’intérieur mais non supportée au bord et au coin.

Cette condition de non-support permet le pompage — l’éjection d’eau et de fines matériaux de la fondation depuis le dessous de la dalle à travers le joint. Le mécanisme fonctionne comme suit :

1. Le curling vers le haut ouvre le joint et crée un vide sous le coin
2. L’eau pénètre dans le vide par le joint ouvert suite à la pluie ou à la fonte des neiges
3. Une charge de trafic passe sur le coin, forçant la dalle vers le bas
4. Le déplacement soudain vers le bas met l’eau sous pression dans le vide
5. L’eau sous pression jaillit à travers le joint, transportant des particules fines en suspension de la fondation
6. La dalle rebondit après le passage de la charge, créant une aspiration qui attire plus d’eau dans le vide

À chaque application de charge, davantage de matériau de fondation est retiré. Le vide s’agrandit, la dalle perd plus de support et la contrainte dans le coin augmente encore. Ce cycle auto-entretenu est l’une des conséquences les plus dommageables du curling dans les chaussées PCC.

Le protocole de détection des vides de la Circulaire Consultative FAA 150/5320-6G Annexe C.15.6 utilise le rapport ISM (rapport de module de rigidité impulsionnelle) des essais au Heavy Weight Deflectometer (HWD). Le rapport ISM compare la rigidité mesurée au centre de la dalle à la rigidité mesurée au coin de la dalle. Un rapport ISM (centre/coin) supérieur à 3 indique une mauvaise durabilité et une perte de support significative sous le coin. Un rapport entre 1,5 et 3 indique un support douteux, tandis qu’un rapport inférieur à 1,5 indique de bonnes conditions de support.

Mesure du Curling et du Voilage

La mesure précise du curling des dalles est essentielle pour l’évaluation des chaussées, le diagnostic de l’état et la recherche sur le comportement des chaussées. Plusieurs méthodes de mesure existent, chacune avec des capacités, résolutions et applicabilités différentes.

Profilomètre de Marche Dipstick

Le Dipstick est un profilomètre de marche manuel qui mesure la différence d’élévation entre ses patins avant et arrière à chaque pas. L’espacement des patins est de 304,8 mm (12 in), et leur diamètre est d’environ 32 mm (1,25 in). L’opérateur marche le profilomètre le long d’un chemin planifié — typiquement le long du bord de la dalle parallèlement au joint — et l’instrument enregistre l’élévation relative à chaque pas.

Le Dipstick a des caractéristiques de gain spécifiques qui affectent sa capacité de mesure. Il a un gain nul à une longueur d’onde de 0,305 m (1 pi), ce qui signifie que les caractéristiques à cette longueur d’onde sont invisibles pour l’instrument. Il a un gain de 0,63 à 0,61 m (2 pi) et un gain de 0,95 à 2 m (7 pi). La limite de Nyquist — la longueur d’onde la plus courte pouvant être mesurée de manière fiable — est d’environ 0,61 m (2 pi). Les longueurs d’onde plus courtes que la limite de Nyquist sont sujettes au repliement spectral, où les caractéristiques de courte longueur d’onde se replient sur des longueurs d’onde plus longues et créent un biais à la hausse de 7 à 9 pour cent dans l’Indice de Rugosité International (IRI).

Le Dipstick convient aux mesures de recherche sur petites zones à faible trafic où une haute précision est requise. Il peut mesurer les profils de curling le long des bords de dalle avec une précision submillimétrique. Cependant, il est trop lent pour les relevés à l’échelle du réseau et ne peut pas être utilisé sur les pistes actives pendant les opérations.

Niveau Numérique / Relevé par Niveau et Mire

Les méthodes de relevé traditionnelles utilisant un niveau automatique ou numérique et une mire graduée peuvent mesurer les élévations des bords de dalle avec une précision submillimétrique. Le relevé établit un repère temporaire et mesure les élévations à des points spécifiés — typiquement aux coins de dalle, au milieu du bord et au centre de la dalle. La différence entre le profil d’élévation mesuré et le plan plat théorique définit la magnitude du curling.

Cette méthode est longue et limitée à de petites zones (typiquement 10 à 50 dalles par jour de relevé). Elle est mieux adaptée aux études de recherche et aux enquêtes forensiques qu’à la gestion routinière des chaussées.

Profileurs Inertiels à Grande Vitesse

Les profileurs inertiels montés sur des véhicules de relevé mesurent les profils d’élévation des chaussées à la vitesse du trafic. Ces instruments sont conformes aux normes AASHTO M 328 et ASTM E950 et enregistrent les données d’élévation à intervalles de 25 mm (1 in) — environ 12 fois plus de points de données que le Dipstick sur la même distance de 304,8 mm. Cette résolution plus élevée permet la détection de fissures étroites et de joints que le Dipstick ne peut pas détecter en raison de son plus grand espacement de patins.

L’application clé des données de profileur inertiel pour l’analyse du curling est la méthode de l’Indice de Courbure de Deuxième Génération (2GCI) développée par la FHWA dans le cadre du Programme de Test Accéléré des Chaussées (Chang et al. 2008). La méthode 2GCI :

1. Synchronise les données de profil avec les emplacements connus des joints
2. Identifie les dalles individuelles dans le profil
3. Isole le profil d’élévation de chaque dalle
4. Ajuste un modèle de curling basé sur Westergaard aux données de profil pour déterminer le Pseudo Gradient de Déformation (PSG) — la déformation nécessaire pour déformer la dalle dans sa forme mesurée
5. Agrège les valeurs de PSG sur toutes les dalles de la section pour produire un indice de curling au niveau de la section

Le protocole d’essai pour la collecte de données 2GCI nécessite un minimum de 5 passages consécutifs à vitesse constante, effectués par une journée ensoleillée et claire après une nuit claire pour maximiser le signal du gradient thermique. La méthode 2GCI capture les variations de courbure diurnes et saisonnières et a été validée par les études FHWA/IPCC Phase I et Phase II menées en Iowa.

LiDAR (Light Detection and Ranging)

La technologie LiDAR fournit la mesure la plus complète du curling des dalles en capturant la topographie de surface tridimensionnelle à une résolution millimétrique. Deux méthodes de déploiement LiDAR sont utilisées pour la mesure du curling :

Le LiDAR stationnaire (balayage laser terrestre sur trépied) est utilisé pour les investigations détaillées de petites zones. Une seule configuration de scanneur peut capturer la surface complète de 5 à 15 dalles avec un espacement de points de 2 à 5 mm. Le nuage de points résultant est traité pour créer un modèle numérique de surface, à partir duquel le curling peut être quantifié en comparant la surface mesurée de la dalle à un plan optimal. L’étude FHWA/IPCC Phase I en Iowa a utilisé le LiDAR stationnaire pour développer le protocole de mesure sur le terrain du curling des dalles.

Le LiDAR mobile (monté sur véhicule) et le LiDAR par drone (monté sur UAV) permettent des relevés à l’échelle du réseau couvrant des pistes entières ou des voies de circulation en un seul passage. Les systèmes LiDAR mobiles montés sur des véhicules de relevé à 60–80 km/h peuvent capturer 100–500 points par mètre carré, suffisamment pour détecter les mouvements différentiels des dalles, le soulèvement des bords et la perte de support. Le LiDAR par drone donne accès à des zones difficiles à atteindre avec des véhicules terrestres et peut capturer plusieurs lignes de vol pour une couverture complète.

Déflectomètre à Masse Tombante (FWD/HWD)

Le Falling Weight Deflectometer (FWD) pour les routes ou le Heavy Weight Deflectometer (HWD) pour les aéroports est utilisé pour la détection des vides sous les dalles curvées. L’appareil laisse tomber une masse (typiquement 4 500–27 000 kg pour le HWD) sur un plateau de 300 mm ou 450 mm de diamètre et mesure la déflexion résultante de la surface de la chaussée à l’aide de capteurs de vélocité placés à des distances radiales du centre de charge.

La méthode du rapport ISM compare le Module de Rigidité Impulsionnelle mesuré au centre de la dalle à celui mesuré au coin de la dalle. Un rapport plus élevé indique une plus grande perte de support au coin due au curling vers le haut. Le protocole de la FAA dans l’Annexe C.15.6 spécifie que les rapports ISM dépassant 3,0 indiquent une mauvaise durabilité due à la perte de support et justifient une investigation plus approfondie.

Le FWD/HWD est également utilisé pour le rétro-calcul des modules des couches. Cependant, la présence de curling affecte significativement les résultats du rétro-calcul car la dalle n’est pas en contact complet avec les couches de support. Le module de réaction de la fondation (valeur de k) rétro-calculé est typiquement sous-estimé pour les dalles curvées car la zone de support effective est réduite. Cela doit être pris en compte dans l’analyse par des facteurs de correction appropriés ou des protocoles d’essai spécifiques au gradient de température.

Déflectomètre à Roue Roulante (RWD)

Le Rolling Wheel Deflectometer est un appareil de mesure de déflexion continue qui fonctionne à la vitesse du trafic. Bien qu’encore au stade de la recherche pour la mesure spécifique du curling, le RWD a montré un potentiel pour identifier les dalles avec de mauvaises conditions de support dues au curling. L’appareil mesure la déflexion de la surface de la chaussée sous un pneu de camion chargé à l’aide de capteurs laser à balayage, fournissant des profils de déflexion continus qui peuvent indiquer les zones de perte de support.

Magnitude Typique du Curling

La magnitude du curling des dalles varie considérablement selon la géométrie de la dalle, le climat, les propriétés des matériaux et l’âge. Les mesures de terrain documentées issues des recherches de la FHWA et de l’ACI fournissent les fourchettes suivantes :

Relation entre le Curling et les Fissures d’Angle

Les fissures d’angle (Détresse Type JCP 3 dans le Manuel d’Identification des Détresses FHWA LTPP) sont des fissures diagonales qui intersectent les joints des dalles PCC près du coin, généralement à moins d’environ 2 m (6 pi) du point d’intersection du coin, et s’étendent sur toute l’épaisseur de la dalle. La relation entre le curling et les fissures d’angle est directe et causale — le curling est un facteur contributif principal à la formation des fissures d’angle.

Le mécanisme de formation des fissures d’angle dans des conditions de curling suit une séquence prévisible :

1. Le curling vers le haut soulève le coin de la dalle hors de la fondation, créant un vide et une perte de support. Le coin non supporté agit maintenant comme un élément de dalle en porte-à-faux.
2. Une charge de trafic (train d’atterrissage d’aéronef ou essieu de camion) passe sur le coin non supporté. Sans support de fondation sous le coin, la contrainte de flexion induite par la charge se concentre à la surface supérieure de la dalle.
3. Les contraintes de curling (du gradient de température) et les contraintes de voilage (du gradient d’humidité) s’ajoutent à la contrainte induite par la charge. La contrainte de traction totale à la surface supérieure du coin de dalle est la somme des trois composantes.
4. Lorsque la contrainte de traction totale dépasse le module de rupture du béton (typiquement 3,5–5,0 MPa ou 500–725 psi pour le béton de chaussée) sous un seul événement de charge, ou dépasse la résistance à la fatigue sous des charges répétées, une fissure s’initie à la surface supérieure de la dalle.
5. La fissure se propage vers le bas et en diagonale depuis le coin à un angle d’environ 30 à 45 degrés par rapport au joint longitudinal, suivant la trajectoire de contrainte principale.
6. La fissure s’étend généralement sur toute l’épaisseur de la dalle et intersecte à la fois les joints transversaux et longitudinaux, créant un coin de dalle cassé triangulaire ou trapézoïdal.

Les facteurs contribuant à la formation des fissures d’angle, tels qu’identifiés par la FHWA et Pavement Interactive, comprennent :

• Répétitions de charge aux coins des dalles — le coin est la région de dalle la plus sollicitée
• Mauvais transfert de charge à travers le joint — réduit par l’ouverture du joint due au curling vers le haut
• Contraintes de curling — dues au gradient thermique (curling de température)
• Contraintes de voilage — dues au gradient d’humidité (voilage par retrait de séchage)
• Perte de support de la fondation — due au vide créé par le curling vers le haut
• Curling vers le haut intrinsèque — courbure bloquée lors des conditions de construction

La probabilité de fissures d’angle augmente considérablement avec le curling vers le haut intrinsèque. Les études FHWA HIPERPAV ont démontré que les dalles avec un curling intrinsèque élevé développent des fissures d’angle à un rythme beaucoup plus rapide que les dalles avec un faible curling intrinsèque, même sous des charges de trafic identiques.

Les normes de relevé PCI ASTM D5340 et ASTM D6433 distinguent les fissures d’angle des autres types de fissuration par plusieurs caractéristiques : les fissures d’angle sont toujours diagonales (ni longitudinales ni transversales), elles intersectent le joint au niveau du coin (pas un emplacement aléatoire), elles s’étendent sur toute l’épaisseur de la dalle (pas seulement en surface), et le coin cassé peut être visiblement déplacé ou détaché. La classification de sévérité dépend de la largeur de la fissure et du fait que le coin cassé soit détaché ou ait été réparé.

Pour les chaussées aéroportuaires, les fissures d’angle constituent une préoccupation opérationnelle importante car le coin cassé peut devenir un Corps Étranger (FOD) s’il se détache complètement. La FAA exige une réparation rapide des fissures d’angle qui créent des risques de FOD, généralement par remplacement complet de la dalle pour les fissures de haute sévérité.

Curling dans les Chaussées PCC Aéroportuaires — Recommandations FAA et OACI

Le curling et le voilage sont spécifiquement traités dans la Circulaire Consultative FAA 150/5320-6G (Conception et Évaluation des Chaussées Aéroportuaires, 2021) et le Manuel de Conception des Aérodromes de l’OACI Partie 3 (Doc 9157) comme des considérations fondamentales dans la conception des chaussées rigides.

FAA AC 150/5320-6G

La FAA AC fait directement référence au curling et au voilage dans trois contextes : la justification de l’espacement des joints, le protocole d’analyse des vides et les procédures de conception.

Espacement des joints (Section 3.16) est explicitement basé sur la nécessité de contrôler la fissuration due au curling thermique et au voilage par l’humidité. La FAA déclare que les joints sont conçus pour « contrôler la fissuration qui se développe en raison … du curling thermique et du voilage par l’humidité ». Les limites maximales d’espacement des joints dans le Tableau 3-7 sont dérivées des considérations de curling :

Sans Fondation Stabilisée :

Avec Fondation Stabilisée (Traitée au Ciment ou Béton Maigre) :

La FAA note que l’espacement des joints dépassant 6,1 m (20 ft) nécessite une analyse technique démontrant que la taille du panneau ne dépasse pas 5 fois le rayon de rigidité relative. Cette limite garantit que les contraintes de curling restent dans des limites acceptables.

Analyse des vides (Annexe C.15.6) reconnaît explicitement qu’« une perte de support peut exister … en raison du curling thermique ou du voilage par l’humidité ». Le protocole d’essai HWD avec analyse du rapport ISM (décrit précédemment dans la Section 5.5) est la méthode standard pour détecter les vides induits par le curling sous les dalles PCC aéroportuaires.

Conception FAARFIELD — la procédure de conception d’épaisseur des chaussées rigides de la FAA — utilise une analyse par éléments finis tridimensionnels (3D-FE) qui tient implicitement compte des effets de curling par calibrage à partir d’essais accélérés à grande échelle à l’Installation Nationale d’Essai des Chaussées Aéroportuaires (NAPTF). Le facteur de dommage cumulatif (CDF) calculé par FAARFIELD inclut les effets des contraintes thermiques et induites par la charge combinées, basés sur les résultats des essais à grande échelle.

Manuel de Conception des Aérodromes de l’OACI Partie 3

Le Manuel de Conception des Aérodromes de l’OACI Partie 3 (Doc 9157, 3e Édition) fournit des recommandations de conception des chaussées qui font référence aux normes nationales (y compris la FAA AC 150/5320-6G) pour les dispositions détaillées concernant le curling et le voilage. L’OACI n’a pas de chapitre dédié au curling mais gère les effets du curling par :

• Limitations de l’espacement des joints — conformes aux normes nationales (référence à la FAA ou aux recommandations des DOT des États)
• Exigences de transfert de charge par goujons — spécifiant les dimensions et l’espacement des goujons pour différentes catégories d’épaisseur de chaussée
• Dispositions relatives à la fondation et au drainage — fondations stabilisées et systèmes de drainage qui réduisent le voilage lié à l’humidité

La méthode ACR-PCR (Classement par Classification d’Aéronef — Classement par Classification de Chaussée), adoptée dans la FAA AC 150/5320-6G 2021 et standardisée par l’OACI pour le rapport de résistance portante, utilise une analyse structurale simplifiée qui tient compte de l’état de la chaussée mais ne modélise pas explicitement le curling. Cependant, les relevés de l’état des chaussées (PCI) qui alimentent le classement ACR-PCR incluent les détresses induites par le curling telles que les fissures d’angle, le faïençage et le pompage dans l’évaluation globale de l’état.

Importance Opérationnelle dans les Aéroports

Le curling dans les chaussées PCC aéroportuaires a des implications opérationnelles spécifiques qui diffèrent des applications routières :

• Risque de FOD — les coins cassés issus des fissures d’angle induites par le curling deviennent des risques de corps étrangers (FOD) sur les pistes et les voies de circulation. Les FOD peuvent être ingérés dans les réacteurs ou causer des dommages aux pneus, créant de sérieux risques de sécurité.
• Pompage sur les chaussées souples adjacentes aux rigides — l’eau pompée des joints PCC peut affouiller les sections de chaussée souple adjacentes.
• Blocage des barres de goujon — dans les chaussées aéroportuaires avec des barres de goujon robustes (typiquement 38 mm ou 1,5 in de diamètre), le curling peut provoquer un coincement des goujons si la courbure est suffisamment sévère pour créer un mouvement vertical différentiel entre les dalles adjacentes.
• Opérations de nuit — les opérations aériennes tôt le matin coïncident avec le curling vers le haut maximum, ce qui signifie que la chaussée est dans son pire état structural pendant une partie significative du temps opérationnel.

Stratégies d’Atténuation du Curling et du Voilage

L’atténuation du curling et du voilage nécessite une approche multidimensionnelle abordant la conception, les matériaux et la construction. Les stratégies les plus efficaces sont mises en œuvre pendant les phases de conception et de construction car la rénovation de l’atténuation du curling après construction est difficile et coûteuse.

Optimisation de l’Espacement des Joints

La méthode la plus directe pour contrôler le curling est de limiter la distance entre les joints de retrait. La déflexion de curling au bord de la dalle est proportionnelle au carré de la longueur de la dalle (terme ℓ² dans l’équation de Westergaard). Réduire de moitié l’espacement des joints diminue la déflexion de curling d’un facteur quatre. La NRMCA recommande une règle empirique d’espacement maximal des joints de 24 fois l’épaisseur de la dalle (par exemple, dalle de 200 mm → espacement des joints de 4,8 m). Le Tableau 3-7 de la FAA fournit des limites spécifiques basées sur l’épaisseur de la dalle et le type de fondation. Un espacement des joints plus court est particulièrement important pour les dalles sur fondations stabilisées car le frottement plus élevé entre la dalle et la fondation augmente les contraintes de retenue.

Épaisseur de Dalle Adéquate

Les dalles plus épaisses se courbent moins car le poids propre de la dalle fournit un moment de rappel qui contrecarre le moment de curling des gradients de température et d’humidité. La déflexion de curling dans l’équation de Westergaard est inversement proportionnelle à l’épaisseur de la dalle (h). Pour les chaussées aéroportuaires, l’épaisseur minimale FAA est de 150 mm (6 in) pour les aéronefs de moins de 60 000 lbs, avec des sections plus épaisses requises pour les aéronefs plus lourds. Cependant, l’augmentation de l’épaisseur de la dalle augmente également le rayon de rigidité relative, ce qui peut partiellement compenser le bénéfice — la relation est complexe et est mieux analysée à l’aide de logiciels de conception mécanistico-empiriques tels que FAARFIELD ou AASHTOWare Pavement ME Design.

Couches de Fondation Stabilisées

Les fondations traitées au ciment (CTB) et les fondations en béton maigre (LCB) fournissent un support plus rigide qui réduit la déflexion différentielle sous l’effet du curling. Le module de réaction de la fondation (valeur de k) plus élevé réduit le rayon de rigidité relative (ℓ), ce qui réduit à son tour la déflexion au bord. Cependant, les fondations stabilisées comportent un compromis : un frottement plus élevé entre la dalle et la fondation stabilisée augmente les contraintes de retenue, ce qui peut conduire à une fissuration accrue si l’espacement des joints n’est pas réduit en conséquence. C’est pourquoi le Tableau 3-7 de la FAA spécifie un espacement des joints plus serré pour les fondations stabilisées (3,8 m pour les dalles de 8–10 in) par rapport aux fondations non stabilisées (6,1 m pour les dalles > 9 in).

Optimisation de la Formulation du Mélange

La formulation du mélange de béton a un impact significatif à la fois sur le curling et le voilage. Les stratégies suivantes de formulation du mélange réduisent la magnitude du curling :

• Teneur en eau la plus faible possible — (pas l’affaissement) car la teneur en eau contrôle directement le retrait de séchage. La méthode de formulation ACI 211 devrait viser la teneur en eau la plus faible compatible avec les exigences de maniabilité.
• Plus grande dimension maximale des granulats — un volume plus élevé de gros granulats réduit la teneur en pâte, qui est la source du retrait de séchage. Une dimension maximale des granulats de 25–50 mm (1–2 in) est typique pour les chaussées aéroportuaires.
• Teneur la plus élevée en gros granulats — maximiser le rapport gros granulats / granulats totaux réduit le volume de pâte et augmente le module du matériau composite.
• Granulats à faible coefficient de dilatation thermique (CTE) — sélectionner des granulats à faible CTE (calcaire, 6–8 με/°C) plutôt que des granulats à CTE élevé (quartzite, 10–13 με/°C) réduit directement la magnitude du curling thermique.
• Adjuvants réducteurs de retrait (SRA) — réduisent le retrait de séchage en diminuant la tension superficielle de l’eau interstitielle, réduisant la contrainte capillaire qui entraîne le retrait. Des dosages typiques de SRA de 1–2 pour cent en poids de liants peuvent réduire le retrait de séchage de 25 à 50 pour cent.
• Éviter une teneur excessive en liants — un volume de pâte plus élevé signifie plus de retrait. La teneur minimale en liants devrait être utilisée conformément aux exigences de résistance et de durabilité.

Il est important de noter qu’un faible rapport eau/liants (e/liant) ne garantit PAS un faible retrait si le volume de pâte est élevé. Un mélange à faible e/liant avec une teneur élevée en pâte peut présenter un retrait plus important qu’un mélange à e/liant plus élevé avec une teneur en pâte plus faible. Le rapport e/liant et le volume de pâte doivent tous deux être optimisés.

Cure Appropriée

La cure affecte directement le gradient d’humidité qui entraîne le voilage. La cure humide (toile de jute humide, brumisation, bassinage) ou un produit de cure à haute teneur en solides (minimum 25 pour cent de solides selon ASTM C309 Type 2) doit être appliqué immédiatement après la finition pour minimiser la différence d’humidité à travers l’épaisseur de la dalle. Une cure retardée ou inadéquate permet à la surface supérieure de sécher tandis que le dessous reste humide, établissant un gradient de retrait permanent qui se manifeste comme un voilage intrinsèque. Le Guide ACI 308 pour la Cure du Béton fournit des recommandations détaillées sur la durée de cure en fonction des conditions ambiantes.

Pratiques de Construction

Plusieurs pratiques de construction influencent la magnitude du curling intrinsèque :

• Mise en place du béton sur sol absorbant — placer le béton directement sur un sol humide et absorbant permet au dessous de la dalle de perdre de l’humidité vers le bas, réduisant la différence d’humidité et le potentiel de voilage. Ceci est contraire à la pratique courante avec les pare-vapeur dans les dalles intérieures, où la barrière empêche la perte d’humidité vers le bas et maximise le gradient de voilage.
• Éviter le ressuage excessif — une teneur en eau élevée ou de l’eau pulvérisée sur la surface pendant la finition augmente le ressuage, ce qui concentre la pâte au plus faible e/liant à la surface et crée un gradient de retrait plus fort.
• Déshumidification sous vide — pour les dalles sur pare-vapeur, la déshumidification sous vide peut réduire le rapport e/liant dans la couche superficielle, créant un profil d’humidité plus uniforme à travers l’épaisseur de la dalle.
• Moment approprié du sciage des joints — les joints de retrait doivent être sciés au moment approprié (typiquement 4 à 12 heures après la mise en place, selon la température et la résistance du béton) pour garantir que le joint agisse comme un plan de fissuration contrôlé. Un sciage tardif permet à la fissuration non contrôlée de se produire en premier, qui pourrait ne pas suivre le plan de joint prévu.

Renforcement et Transfert de Charge

Bien que le curling soit un phénomène de changement volumétrique qui ne peut être empêché par le seul renforcement, un renforcement correctement conçu peut distribuer les contraintes de curling et contrôler les largeurs de fissure :

• Renforcement dans le tiers supérieur de la dalle — placé perpendiculairement aux bords de la dalle dans les 3 m (10 ft) du bord ou du joint de construction (selon les recommandations de la NRMCA), le renforcement contrôle les largeurs de fissure et maintient le verrouillage des granulats même lorsque la fissuration induite par le curling se produit.
• Dispositifs de transfert de charge (goujons) — des barres de goujon correctement conçues, alignées et lubrifiées minimisent le mouvement vertical différentiel à travers les joints, réduisant l’impact du curling sur le faïençage et la perte de transfert de charge. La FAA spécifie les dimensions, l’espacement et les tolérances d’alignement des goujons dans l’AC 150/5370-10H Article P-501.
• Systèmes alternatifs — le béton compensateur de retrait (utilisant du ciment de Type K) et la post-tension peuvent réduire ou éliminer le curling en introduisant des contraintes de compression qui contrecarrent le moment de curling.

Détection du Curling par Relevés par Drone et LiDAR

Les technologies modernes d’inspection des chaussées permettent la détection et la quantification du curling des dalles à l’échelle du réseau, fournissant des données qui n’étaient auparavant disponibles que par des relevés manuels à forte intensité de main-d’œuvre. Les méthodes d’inspection par drone et LiDAR transforment la façon dont les exploitants aéroportuaires évaluent le curling dans leurs chaussées PCC.

Relevés Visuels par Drone

Les véhicules aériens sans pilote (UAV) équipés de caméras haute résolution capturent des images avec recouvrement de la surface de la chaussée, qui sont traitées par photogrammétrie Structure-from-Motion (SfM) pour créer des images mosaïques orthorectifiées et des modèles numériques de surface (MNS). Le MNS fournit des données d’élévation à une résolution de 1 à 5 cm sur toute la surface de la chaussée, à partir desquelles le curling peut être détecté :

• Détection du soulèvement des bords — comparaison de l’élévation aux bords de la dalle (mi-bord et coins) à l’élévation au centre de la dalle. Les dalles dont le soulèvement des bords dépasse 3–5 mm par rapport au centre sont signalées pour investigation supplémentaire.
• Différence d’élévation aux joints — mesure de la différence d’élévation à travers les joints transversaux et longitudinaux. Une différence de plus de 3 mm indique un faïençage, qui peut être lié au curling.
• Comparaison temporelle — des relevés répétés par drone à la même heure de la journée (généralement tôt le matin pour un curling vers le haut maximal) permettent de comparer la magnitude du curling dans le temps, en suivant sa progression.

LiDAR Mobile et Stationnaire

Les données de nuage de points LiDAR fournissent la mesure de plus haute résolution du curling des dalles. Le nuage de points est traité pour extraire les surfaces de dalles individuelles, et un plan optimal est calculé pour chaque dalle. L’écart de chaque point par rapport au plan optimal définit la magnitude du curling. Les indicateurs clés dérivés des données LiDAR comprennent :

• Soulèvement des coins — l’écart maximal vers le haut aux coins de la dalle, généralement exprimé en mm
• Courbure des bords — le profil de courbure le long du bord de la dalle, exprimé comme un rayon de courbure ou un indice de courbure
• Déflexion au centre de la dalle — pour les conditions de curling vers le bas, l’écart du centre de la dalle par rapport au plan optimal
• Cartographie des vides — zones où le curling détecté par LiDAR dépasse la plage de contact attendue de la fondation, indiquant des vides potentiels sous la dalle

L’étude FHWA IPCC Phase I a démontré que le LiDAR stationnaire peut détecter le curling avec une exactitude de ±1 mm et une précision de ±0,5 mm, suffisante pour quantifier même le curling de faible sévérité qui n’est pas visible à l’œil nu.

Classification Automatisée du Curling

Les systèmes avancés d’inspection des chaussées (y compris TarmacView) utilisent des algorithmes d’apprentissage automatique entraînés sur des données LiDAR et photogrammétriques pour détecter et classer automatiquement la sévérité du curling. Les critères de classification sont basés sur la magnitude du soulèvement des bords ou des coins :

Intégration avec les Essais HWD

Les données de relevé LiDAR et par drone sont plus précieuses lorsqu’elles sont intégrées aux essais HWD. Les emplacements de curling identifiés par LiDAR guident le programme d’essai HWD, garantissant que les points d’essai sont placés sur des dalles présentant un curling connu plutôt qu’à des emplacements aléatoires. La combinaison des données de géométrie de surface (du LiDAR) et des données de réponse structurale (du HWD) fournit une image complète de l’effet du curling sur la capacité structurale de la chaussée. Le seuil du rapport ISM de 3,0 de la FAA peut être corrélé avec la magnitude de curling dérivée du LiDAR pour établir des critères spécifiques au site pour l’identification des vides et la priorisation des réparations.

Les caméras d’imagerie thermique montées sur drones ajoutent une autre dimension à la détection du curling. La thermographie infrarouge capture la température de surface de chaque dalle, révélant le profil de gradient de température qui entraîne le curling. Les dalles avec des distributions de température anormales (points chauds aux joints, motifs de refroidissement non uniformes) peuvent être plus susceptibles aux dommages de curling. La combinaison des données thermiques avec les données géométriques LiDAR permet une évaluation complète du curling qui considère à la fois la cause (gradient de température) et l’effet (soulèvement des bords).

Résumé des Paramètres Clés