Brevet FR2463834A1 — publié le 19810227

La présente invention concerne un nouveau type de joint d'ouvrages d'art et particulièrement son procédé de fixation au tablier de l'ouvrage. Le présent type de joint convient pour des souffles de 2 à 8 cm., c'est-à-dire qu'il permet en pays tempéré d'équiper des ouvrages de 25 à 300m. de portée. Le joint d'un ouvrage constitue un mini-pont de portée variable au- dessus de la brèche constituéepur l'espace entre la culée et le tablier de l'ou- vrage, 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 rela- tive peut enregistrer des variations qui peuvent atteindre ou dépasser 0, 5 cm. Le joint et sa fixation doit être prévu pour s'accommoder de ces condi- tions tout en résistant à la circulations 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 ré- sumer de la manière suivante: - l'élément constituant le mini-pont peut être soit un élément métalli- que glissant; c'est le cas des joints peignes ou des joints à plaque glissante, soit une plaque d'élastomères soit un profilé alvéolaire en élastomère; - ces différents éléments glissants ou de largeur variables sont fixés soit directement, soit par l'intermédiaire d'éléments métalliques au tablier de l'ouvrage ou à la culée; - 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 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'encrage; 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 7I/43 203 a proposé de réaliser le scelles- ment 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 trouvent ainsi éliminés du chantier. Les problèmes de fatigue dus à la circulation sont bien résolus; par contres ce type de joint présente cependant un inconvénient majeur / 2 2453834 dO à la grande différence des coefficients de dilatation des résines et du bé- ton; 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 condui- sente lors des variations de température, à l'apparition de contraintes à l'in- terface béton-mortier de résine, qui sont généralement insupportables pour le béton de ciment qui est le matériau le plus fragile; on assiste généralement à l'apparition de fissures transversa#lesy puis à l'arrachement de la partie su- perficielle du béton du tablier. 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 ré- sultat a pu Otre obtenu par la mise en oeuvre de deux moyens qui constituent les éléments fondamentaux de la présente inventions et qui ont pour objet d'éli- miner les effets de cette différence de dilatations d'une part en diminuant le niveau de contraintoe à l'interfaces d'autre part en évitent la concentration de ces contraintes en des points particuliers. Dans les procédés classiques emplo- yant des résines époxy, cette concentration de contraintes se traduit par l'ap- parition de fissures transversefles. Pour obtenir ce résultats les flancs ktéraux du profilé d'élastomère 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 plats et c'est là une des caractéristiques fondamentales de l'inventions est équipé d'une ou plusieurs sinusoïdes constituées de fers à bé- ton de 0 6 à 12 m.; ces sinusoïdes soudées au flanc métallique du Joint se dé- veloppent 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 par un sablage et une peinture d'accro- chage à l'époxy; l'inventeur a découvert 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 ré- sine; 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 nouvelles présentant même aux basses températures inférieures à -100, une grande élasticité tout en con- servant aux températures habituelles + 20 à + 40 une bonne résistance à la t n /I.. 3 2463834 L'inventeur a en effet constaté que si les résines époxydes possèdent une bonne adhérence au béton et une grande facilité de mise en oeuvre bien adap- tée au problème des travaux publicsw elles deviennent fragiles et cassantes dès que la température s'abaisse; les mortiers obtenus avec de telles résines ontI à basse températures un module d'élasticité élevé qui conduit à l'interface du béton du tablier et du mortier à des contrainrs insupportables pour le béton. Le fluxage des résines époxy avec des plastifiants et des diluants diminue cet inconvénients mais la résistance du liant obtenu est alors insuffisante pour as- surer le scellement. Les polyuréthanes donnent de meilleurs résultats à ce point de vue et pourraient conduire à des mortiers présentant des caractéristiques satisfaisan- tes, s'il étai possible de les mettre en oeuvre dans de bonnes conditions; mal- heureusement, leur sensibilité à l'humidité tant au moment de la mise en oeuvre qu'ultérieurement pendant la durée de vie du joints rend leur utilisation prati- quement impossible sur un chantier exposé aux intempéries. Un élément fondamental de notre invention est l'utilisation d'une résine/ comp exe nouvel-e 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 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 ob- tenue 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 88 ou DX 214 de SHELL - DER 74.75 de DOW Chemicals ou toute autre résine équivalente; et 50 à 80 parties d'un polyisocyanate comportant de 2 à 6 % de grou- pement NCo n'ayant pas réagis bloqué par un phénol. La réaction avec le phénol rend les NCo insensibles à l'humidité, ce qui constitue un progrès décisif; ces groupements isocyanates bloqués entrent par contre en réaction avec l'hydro- gène provenant de groupements aminés de forte basicité qui déplacent le phénol pour donner des polyuréides complexes. Comme polyisocyanate, on peut utiliser des prépolymères, de toluène di- isocyanates de diphénylméthane diisocyanate et de polyether, de préférence li- néaire, à base de polyoxypropylènel 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 à respecter la teneur en NCo indiquée précédemment de 2 à 6 %/6 tout en conservant une viscosité /... aussi faible que possible pour le polyisocyanate bloqué. L'inventeur a trouvé que des viscosités comprises entre 20 000 et 000 centipoises à 200 permettraient encore une mise en oeuvre oonvenable. Les spécialistes savent qu'en cette matière, la variété des chaenes et de leur combinaison est pratiquement infinie. Au lieu de polyétherI on pourrait aussi envisager d'utiliser des polyesthers, mais les premiers seront préférés en raison de leur meilleure résistance à l'hydrolyse et de leur viscosité plus faible. Comme phénolgon peut utiliser le phénol ordinaires les crésols, le ter- butylphénol, le nonycérésols 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 butyl, la phtalate d'octylt le Dutrex, nom commer- cial d'un plastifiant de nature aromatiques commercialisé par la société SHELL Chimie; cette liste n'est évidemment pas limitative. Ces plastifiants ou dilu- ants 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 eliphati- que ou cycloaliphatique telle que la triméthylhexaméthylène diamine il'amino éthylpipérazzine, la bis aminocyclohexylméthane, la 3 3' diméthyl 4 4' diamino- dicyclohexylméthane. Ces amines ont pour caractéristique prinpale non seulement de réagir avec les groupements époxy à la manière habituelle, mais de déplacer à la tempé- rature ambiante le phénol pour donner avec le groupement isocyanate un polyuréide. C'est là une caractéristique fondamentale de notre procédés car le polyuréide parfaitement compatible avec l'époxy permet d'obtenir une résine complexe pré- sentant même aux basses températures -.200 C une grande flexibilité. La polyamide 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 oomposant B peut lui aussi être additionné de diluants permettant de diminuer le prix de revient du lient final, tout en améliorant la mouillabilité des agrégats utilisés à la préparation du mortier ainsi que la sur- $. face de béton du tablier. On utilisera de préférence les brais de houille de viscosité comprise entre 10 et 40 EVT, les résines de coumarone et de coumarone indène telles que celles vendues sous le nom de Necires EPXL par Cindu Neuville Chimie; ces pro- duits sont cités à titre d'exemple non limitatif. Ces diluants sont généralement ajoutés dans le composant Bq à raison de /. 2463834 à 100 % en poidsdTotal, résine époxy plus polyuréide. Le liant résultant ainsi obtenu possède des qualités inconnues jusqu'alors qui peuvent Otre évaluées par un essai de traction-allongement sur éprouvette Iso à la vitesse de lOmm. /minute. Un essai comparatif avec une résine époxy classique est particulièrement démons- tratif. L'époxy classique est obtenue à partir d'une résine liquide telle que DX 214 de SHELL Chimie et de versamide 140 de Schering; elle est additionnée de 45 % de diluant constitué de brai de houille. Le liant suivant notre invention est constitué de 50 h de polyuréide obtenu par réaction d'un polyisocyanate à 3 % de NCo bloqué avec la 3 3' dimé- thyl 4 4' diaminodicyclohexyl méthanes 20 % de résine époxy obtenue par réaction de la DX 214 avec la même diamine - 30 % de brai de houille EVT 30. Les résultats sont les suivants: - à 20 : l'allongement est de 30 à 45 % pour l'époxy classique > 200 % pour le liant de notre invention Les résistances sont respectivement de 30 à 45 bars pour l'époxy et d'environ 45 bars pour notre nouveau liant. - à -15oC: l'allongement est voisin de O % et la résistance supérieure à 300 kg pour l'époxy; pour le liant de notre inventions au contrareg l'allongement est su- périeur à 100 % et la résistance reste comprise entre 100 et 150 bars. On conçoit que les contraintes transmises au béton soient bien inféri- eures avec le liant suivant notre invention. L'installation du joint suivant notre procédé ne présente aucune diffi- culté particulière; elle est illustrée dans la figure I qui montre un exemple de mise en oeuvre de notre procédé.(coupe et vue en perspective d'un joint). L'élément de joint préfabriqué en usine, comportant le profilé de caout- chouc (1) et ses flancs métalliques (3) équipés d'une sinusoïde en fer à béton(4). est positionné de sorts que la surface supérieure du joint soit dans le plan de la surface de roulement de la chaussée an béton bitumineux (6). La surface du tablier (5) ayant été préalablement nettoyée et débarras- sée de toute partie malsaines on coule le mortier liquide de scellement (2) qui adhère auxflancsmétalliques du joint et à la sinusoïde horizontale qui l'équipes au béton du tablier et au béton bitumineux; il constitue la surface de roule- ment de la chaussée entre le joint et le béton bitumineux (6). Ce mortier est constitué d'un mélange d'agrégats et de filler dans la proportion de 75 à 85 % et de liant tel que défini précédemment dans la propor- tion de 15 à 25 %, de façon à obtenir un mortier liquide autolissant. La courbe granulométrique des agrégats est une courbe continue classi- que comprise entre 0/08 et 15 mm. ayant de 30 à 865 % d'éléments passant à 2 mm.9 /... 6 2463834 12 à 15 % passant à 0,08 - 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: 30 parties de résine époxy DER 74.75 de DOW Chemical parties de prépolymère liquide de poids moléculaire moyen 2000, contenant 3 % de NCo bloqués par le phénols obtenu par action du toluène diisocyanate en excès sur le polypropylèneglycol. parties de phtalate de butyl - le COMPOSANT B: parties de 3 3' diméthyl 4 4' diaminodicyclohexylméthane parties de brai de houille de 30 EVT de viscosité Le mélange A + B après polymérisation (qui peut être accélérée par chauffage) possède les caractéristiques suivantes: - à 200: 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 I1 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 vis- queuse 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'ap- précier tout l'intérêt de notre procédé. Si on fait subir une série de chocs thermiques entre -40 0 et + 20 à une plaque de béton de ciment de 50 x 10 cm.g revytue par coulage et polymérisa- tion de 3 cm. de mortier de la formule indiquée précédemment, on obtient ni dé- collement, ni rupture du béton. Le même test réalisé avec un mortier de même formule à base de résine époxy classique entraine la rupture du béton. v 2463834 REVENDICATIONS/ 1 - Joint de dilatation pour ouvrages en béton, caractérisé en ce qu'il oomprend un profilé en élastomère solidaire de flancs métalliques équipés d'une si- nusoide 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 o la sinusoïde métallique est constituée de fer à bétora soudée aux flancs métalliques, est placée dans un plan parallèle à la surface du tablier. 3 - Joint de dilatation selon la revendication 1 o le scellement du joint est obtenu exclusivement par un mortier adhérent au tablier de l'ouvrages con- tenant 15 à 25 % de résine thermodurcissable et 85 à 75 D/ d'un mélange d'agrégats, sables et filler. 4 - Joint de dilatation selon la revendication 1 et 3 o la résine thermodur- cissable utilisée pour le mortier de scellement contient de 45 à 80 % de polyuréide et de 20 à 55 % de résine époxy aditionnée de plastifiants et diluants. - Joint de dilatation selon les revendications 1 et 4 o la rene 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 diamine alipha- tique ou cycloaliphatiqueadditionné de diluants et de plastifiants.