LU82723A1 - Joint de dilatation d'ouvrages d'art et son procede de fixation - Google Patents

Description

La présente invention concerne un nouveau type de joint d'ouvrages d'art et son procédé de fixation au tablier de 1'ouvrage.

Le présent type de joint convient pour ses souffles de 2 à 8 cm., c'est-à-dire qu'il permet en pays tempéré d'équiper des ouvrages de 25 à 500 m. de portée.

Le joint d'un ouvrage constitue un mini-pont de portée variable au-dessus de la brèche constituée par l'espace entre la culée et le tablier de l'ouvrage, ou entre deux éléments du tablier; cette brèche a une largeur variable en fonction de la température de l'ouvrage; l'amplitude de la variation est appelée souffle du joint. Les bords constitués, par la partie supérieure des deux tabliers adjacents, ou du tablier et de la culée ne sont pas non plus toujours dans le même plan horizontal, et leur altitude relative peut enregistrer des variations qui peuvent atteindre ou dépasser 0,5 cm.

Le joint et sa fixation doit être prévu pour s'accomoder de ces conditions tout en résistant à la circulation, notamment celle des essieux lourds - la plus destructrice lorsque le joint n'est pas exactement dans le plan de la chaussée -.

Les solutions apportées à ce problème sont nombreuses; on peut les résumer de la manière suivante : - l'élément constituant le mini-pont peut être soit un élément métallique glissant (c'est le cas dee joints peignes) ou des joints à plaque glissante, soit une plaque d'élastomère, soit un profilé alvéolaire en élastomère; > · .

- ces différents éléments glissants ou de largeur variable, | λ sont fixés soit directement, soit par l'intermédiaire d'éléments métalliques au tablier de l'ouvrage -oh à la culée; t - la fixation proprement dite qui est la partie délicate du joint est généralement assurée par des boulons métalliques scellés dans le béton du tablier ou par des fers noyés dans le i béton; il s'agit là d'un travail long et délicat en raison des tolérances de l'ordre du mm inhabituelles en matière de bétonnage, onéreux en raison des faibles quantités mises en oeuvre.

L'utilisation de résines thermodurcissables a été proposée-pour remédier à ces inconvénients; certains procédés utilisent ces résines pour la fixation des boulons d'ancrage; d'autres emploient des résines pour réaliser les lèvres du joint et éviter ainsi leur érosion par la circulation; d'autres enfin, plus évolués, comme le brevet français n° 205 ont proposé de réaliser le scellement d'un joint comportant des flancs métalliques par simple collage avec des résines adhérentes au tablier de l'ouvrage; le béton dont la prise est lente, la mise en oeuvre précise est difficile par petite quantité, se trouvant ainsi éliminés du chantier. Les problèmes de fatigue dus à la circulation sont bien résolus; par contre, ce type de joint ’ présente cependant un inconvénient majeur dû à la grande différence des coefficients de dilatation des résines et du béton; celui . des résines est environ dix fois plus élevé. Les mortiers composés de 20 % en poids de résine et 80 % d'agrégats ont encore un coefficient trois à cinq fois plus élevé que celui du béton du tablier; ces différences conduisent, lors des variations de température, à l'apparition de contraintes à l'interface . béton-mortier de résine, qui sont généralement insupportables pour le béton de ciment qui est le matériau le plus fragile; i on assiste généralement à l'apparition de fissures transversales, il puis à l'arrachement de la partie superficielle du béton du tablier.

V

La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients tout en conservant les avantages du scellement du joint au mortier de résine. Ce résultat a pu être obtenu par la mise en oeuvre de deux moyens qui constituent les éléments fondamentaux de la présente invention, et qui ont pour objet d'éliminer les effets de cette différence de dilatation, d'une part en diminuant le niveau de contraintes à l'interface, d'autre part en évitant la concentration de ces contraintes en des points particuliers. Dans les procédés classiques employant t des résines époxy, cette concentration de contraintes se traduit par l'apparition de fissures transversales.

Pour obtenir ce résultat, les flancs latéraux du profilé d'êlastomère sont rendus solidaires d'un fer plat assurant la liaison entre le profilé et le scellement en mortier de résine.

Cette liaison peut être assurée par différentes méthodes bien connues des spécialistes, notamment collage de l'élastomère sur le métal, fixation par coincement dans une rainure aménagée à cet effet, fixation par boulons, etc..

» Ce fer plat, et c'est là une des caractéristiques fondamen tales de l'invention, est équipé d'une ou plusieurs sinusoïdes constituées de fers à béton de 5 à 12 mm de diamètre; ces sinusoïdes soudées au flanc métallique du joint se développent dans un plan horizontal parallèle au tablier de l'ouvrage; elles se trouvent donc immergées dans le mortier de résine lors du scellement du joint. Leur adhérence au mortier est , assurée pair un sablage et une peinture d'accrochage .à l'époxy; il est apparu qu'elles jouaient un rôle important dans la suppression des fissures transversales en évitant les concentrations . de contraintes dues aux différences de dilatation entre béton et le mortier de résine; le coefficient de dilatation de l'acier étant voisin de celui du béton, une part importante de cette différence peut être absorbée par l'armature en forme de sinusoïde et répartie dans la masse du mortier de résine.

L'autre moyen mis en oeuvre pour réduire le niveau des contraintes consiste à faire appel à une résine thermodurcissable nouvelle, présentant même aux basses températures, inférieures à -10°, une grande élasticité tout en conservant aux températures habituelles + 20 à + kO° une bonne résistance à la traction.

, On a en effet constaté que si les résines époxydes possèdent une bonne adhérence au béton et une grande facilité de mise en oeuvre bien adaptée au problème des travaux publics, elles deviennent fragiles et cassantes dès que la température s'abaisse; les mortiers obtenus avec de telles résines ont, à basse température, un module d'élasticité élevé qui conduit à l'interface du béton du tablier et du mortier à des contraintes insupportables pour le béton. Le fluxage. des résines époxy avec des plastifiants et des diluants diminue cet inconvénient, mais la résistance du liant obtenu est alors insuffisante pour assurer le scellement.

Les polyuréthanes donnent de meilleurs résultats à ce point de. vue et pourraient conduite à des mortiers présentant des caractéristiques satisfaisantes, s'il était possible de les mettre en oeuvre dans de bonnes conditions; malheureusement, , leur sensibilité à l'humidité tant au moment de la mise en oeuvre j ’ qu'ultérieurement pendant la durée de vie du j.oint, rend leur i . utilisation pratiquement impossible sur un chantier exposé aux intempéries.

L

r /f! V'* -'V*V \ ; ,v*.· · ' .

Un élément fondamental de l'invention est l'utilisation d'une résine complexe nouvelle à deux composants, polymérisable à la température ambiante, présentant à la fois l’élasticité des polyuréthanes et les facilités de mise en oeuvre des résines i époxy. La résine de base qui constitue la partie essentielle du liant du mortier de scellement est constituée essentiellement d'un mélange de polyuréides et de résine époxy, dans les proportions de 45 à 80 % de polyuréides, et de 20 à 55 # de résine époxy, additionné de diluants et de plastifiants pour en diminuer le prix de revient et ajuster les caractéristiques physiques; cette résine est obtenue en mélangeant : - un composant A constitué : de résine époxy liquide dans la proportion de 20 à 50 parties, connue par exemple sous le nom commercial d'Epikote 828 ou DX 214 de SHELL - DER 74,75 de DOW Chemical, ou toute autre résine équivalente; et 50 à 80 parties d'un polyisocyanate comportant de 2 à 6 % de groupement NCO n'ayant pas réagi, bloqué par un phénol. La réaction avec le phénol rend les groupes NCO ’ insensibles à l'humidité, ce qui constitue un progès décisif; ces groupements isocyanates bloqués entrent par contre en réaction avec l'hydrogène provenant de groupes aminés de forte basicité qui déplacent le phénol pour donner des polyuréides complexes.

Comme polyisocyanate, on peut utiliser des prépolymères, de toluène diisocyanate, de diphénylméthane diisocyanate et de polyéther, de préférence linéaire, à base de polyoxypropylène, de polyoxybutylène ou de copolymère des deux premiers avec du polyoxyéthylène; le poids moléculaire de ces polyéthers et leur proportion par rapport au diisocyanate est choisi de façon f- I à respecter la teneur en NCO indiquée précédemment de 2 à 6 % l tout en conservant une viscosité aussi faible que possible pour | le polyisocyanate bloqué.

On a trouvé que des viscosités comprises entre 20 000 et 150 000 centipoises à 20° permettraient encore une mise en oeuvre convenable.

Les spécialistes savent qu'en cette matière, la variété des chaînes et de leur combinaison est pratiquement infinie et la présente invention s'étend aux équivalents chimiques.

Au lieu de polyéther, on pourrait aussi envisager d'utiliser des polyesters, mais les premiers sont préférés en raison de leur meilleure résistance à l'hydrolyse et de leur viscosité plus faible.

Comme phénol, on peut utiliser le phénol ordinaire, les crésols, le terbutylphénol, le nonycérésol, etc..

Le composant A pourra être éventuellement additionné de plastifiants ou de diluants pour ajuster sa viscosité à la valeur désirable; parmi ceux-ci, on peut citer le phtalate de butyle, le -. phtalate d'octyle et le Dutrex (nom commercial d'un plastifiant de nature aromatique, commercialisé par la société SHELL Chimie); cette liste n'est cependant pas limitative. Ces plastifiants ou diluants sont ajoutés à raison de 3 à 20 % du liant constitué de résine époxy plus polyuréide.

Le composant B est constitué essentiellement d'une polyamine aliphatique ou cycloaliphatique telle que la trimêthylhexaméthylène diamine, l'amino éthylpipérazine, la bis aminocyclohexylméthane, la 3-3 '-àiméthyl-^-Vdiaminodicyclohexylméthane.

Ces amines ont pour caractéristique principale non seulement · Jl de'réagir avec les groupements époxy'à la manière habituelle, mais de déplacer à la température ambiante le phénol pour donner un polyuréide avec le groupement isocyanate. C'est là une caractéristique fondamentale de notre procédé, car le polyuréide avec le groupement isocyanate. C'est là une caractéristique fondamentale de notre procédé, car le polyuréide parfaitement compatible avec 1'époxy permet d'obtenir une résine complexe présentant même aux basses températures -20°C une grande flexibilité.

La polyamine est utilisée en quantité sensiblement stoechiométrique par rapport à l’ensemble de la résine époxy et du prépolymère de polyisocyanate du composant A. -Ceci conduit à des teneurs de 7 à 20 % du poids total de la résine époxy et du polyuréide.

Bien entendu, le composant B peut lui aussi être additionné de diluants permettant de diminuer le prix de revient du liant final, tout en améliorant la mouillabilité des agrégats utilisés à la préparation du mortier ainsi que la surface du béton du tablier.

On utilisera de préférence les brais de houille de viscosité comprise entre 10 et ^-0 EVT, les résines de coumarone et de coumarone indène telles que celles vendues sous le nom de Nacires EPXL par Cindu Neuville Chimie; ces produits sont cités à titre d'exemple non limitatif.

Ces diluants sont généralement ajoutés dans le composant B,* à raison de 10 à 100 % en poids du total résine époxy plus polyuréide. Le liant résultant ainsi obtenu possède des qualités inconnues jusqu’alors qui peuvent être évaluées par un essai de traction-allongement sur éprouvette Iso à la vitesse de 10 mm/minutè. Un essai comparatif avec une résine époxy classique, est particulièrement démonstratif.

L'époxy classique est obtenu à partir d’une résine liquide telle que DX 21 4 de SHELL Chimie et de Versamide 140 de Schering; ‘4 ’î elle est additionnée de 45 % de diluant constitué de brai de I houille.

Le liant suivant l'invention est constitué "de 50 % de ?ç

! polyuréide obtenu par réaction d'un polyisocyanate à 3 % de NCO

bloqué avec la 3-3'-diméthyl-4,4'-diaminodicyclohexyl-mêthane, 20 % de résine époxy obtenue par réaction de la DX 214 avec la même diamino - 30 % de brai de houille EVT 50 » par exemple Les résultats sont les suivants : ; - à 20° : l’allongement est de 30 à 45 % pour l'époxy classique . > 200 % pour le liant de la présente invention.

- à -15°C : l'allongement est voisin de 0 % et la résistance supérieure à 300 kg pour l'époxy; pour le liant de la présente invention, au contraire, l'allongement est supérieur à 100 % et la résistance reste comprise entre' 100 et 150 bars.

On conçoit que les contraintes transmises au béton soient bien inférieures avec le liant suivant la présente invention.

L'installation du joint suivant le procédé de l'invention 'ne présente aucune difficulté particulière; elle est illustrée dans la figure I qui montre un exemple de mise en oeuvre du procédé de l'invention, en regard d’un dessin représentant une coupe et une vue en perspective d'un joint.

L'élément de joint préfabriqué en usine, comportant le profilé de caoutchouc (1) et ses flancs métalliques (3) équipés d'une sinusoïde en fer à béton (4), est positionné de sorte que la surface'supérieure du joint soit dans le plan de la surface % de roulement de la chaussée en béton bitumineux (6).

-ΙΟ- ι ILa surface du tablier (5) ayant été préalablement nettoyée et débarrassée de toute partie malsaine, on coule le mortier liquide de scellement (2) qui adhère aux flancs métalliques du joint et à la sinusoïde horizontale qui l'équipe, au béton du tablier et au béton bitumineux; il constitue la surface de roulement de la chaussée entre le joint et le béton bitumineux (6).

Ce mortier est constitué d'un mélange d'agrégats et de filier dans la proportion de 75 à 85 # et de liant tel que défini précédemment dans la proportion de 15 à 25 %> de façon à obtenir un mortier liquide autolissant.

La courbe granulométrique des agrégats est une courbe continue classique comprise entre 0,08 et 15 rom ayant de 30 à 65 % d'éléments passant à 2 mm, 12 à 15 # passant à 0,08 et 100 % à 15 mm.

* Le liant qui constitue la partie essentielle est obtenu par mélange énergique des composants A et B de formule suivante : - le COMPOSANT A : j 30 parties de résine époxy DER 7^)75 de DOW Chemical i ! 70 parties de prépolymère liquide de poids moléculaire moyen 2000, contenant J> % àe NCO bloqués par le phénol, obtenu par action du toluène diisocyanate en excès sur le polypropylèneglycol 5 parties de phtalate de butyle - le COMPOSANT B : 15 parties de 3î5,-diméthyl-iJ-,^'-diaminodicyclohexylméthane « 50 parties de brai de houille de 30 EVT de viscosité· - 11 - i i

Le mélange A + B après polymérisation (qui peut être | accélérée par chauffage) possède les caractéristiques suivantes : i - à 20° : résistance à la traction 40 à 50 bars allongement > 150 % - à -»15° : résistance à la traction 100 à 150 bars allongement > 100 %.

%

Dans l'exemple illustré par la figure I, le mortier de scellement du joint est constitué de 17 % du liant de formule indiquée plus haut, et de 83 % d'agrégats 0/15 mm; il se présente avant polymérisation comme une pâte visqueuse qui adhère fortement au béton du tablier, aux flancs du joint et au béton bitumineux; • ses propriétés sont illustrées par l'essai suivant qui permet d'apprécier tout l'intérêt du procédé de l'invention.

Si on fait subir une série de chocs thermiques entre -40° et +20° à une plaque de béton de ciment de 50 x 10 cm, r revêtue par coulage et polymérisation de 3 cm de mortier de la formule indiquée précédemment, on n'observe ni décollement, ni rupture du béton.

Le même test· réalisé avec un mortier de même formule à base de résine époxy classique entraîne la rupture du béton.

Bien qu'on ait décrit des formes d'exécution particulièrement 4.

préférées de l'invention, il doit être bien entendu que de nombreuses modifications et variantes sont possibles et accessibles à l'homme de l'art tout en restant dans son cadre, et que la portée de la présente demande s'étend à ces variantes et modifications.

Claims (5)

1. Joint de dilatation pour ouvrages en béton, caractérisé en ce qu'il comprend un profilé en élastomère solidaire de flancs métalliques équipés d'une sinusoïde métallique, scellé au tablier de l'ouvrage par un mortier de résine thermodurcissable, à base d'un mélange d'époxy et de polyuréide.

2. Joint de dilatation selon la revendication 1 dans lequel la . sinusoïde métallique est constituée de fer à béton, soudée aux flancs métalliques, est placée dans un plan parallèle à la surface du tablier.

3· Joint de dilatation selon la revendication 1 dans lequel le scellement du joint est obtenu exclusivement par un mortier adhérent au tablier de l'ouvrage, contenant 15 à 23 % de résine thermodurcissable et 85 & 75 % d'un mélange d'agrégats, sables et filier. h. Joint de dilatation selon la revendication 1 et 3âansleque; la résine thermodurcissable utilisée pour le mortier de * scellement contient de k5 à 80 % de polyuréide et de 20 à 55 % de résine époxy additionnée de plastifiants et diluants.

5· Joint de dilatation selon les revendications 1 et 4 dans lequel la résine est obtenue par réaction - d'un composant A contenant un prépolymère liquide de polyisocyanate contenant de 2 à 6 % de groupement NCO bloqués par un phénol dans la proportion de 20 à 50 parties, - avec un composant B contenant de 7 à 20 parties de J diamine aliphatique ou cycloa3,iphatique, additionné de J diluants et de plastifiants. 1 . ' - 13 -

6. Joint de dilatation et son procédé de mise en oeuvre, | _ essentiellement tel que décrit. --* * * ! «