Présentation des membranes souples d'étanchéité

Le terme « membrane » est utilisé ici dans le sens mécanique de ce terme ; il s'agit en effet d'un élément de rigidité flexionnelle nulle, mais disposant d'une résistance dans son plan.

En ce qui concerne sa fonction principale dans l'ouvrage, on rencontre trois types :

• — membrane d’étanchéité ;
• — membrane de renforcement ;
• — membrane de drainage.

Souvent, on a intérêt à réunir en une seule membrane deux de ces caractéristiques.

L'inertie chimique et sa souplesse résultant de sa grande déformabilité élastique ou visco-élastique sont des atouts des membranes organiques.

1.— INTRODUCTION

Pour opérer le choix objectif d'un matériau afin de solutionner un problème technique, il convient de disposer de deux types de données :

1. 1. les caractéristiques intrinsèques des matériaux ;
2. 2. les critères de leur emploi.

Le premier groupe rassemble des caractéristiques physiques, chimiques, mécaniques et économiques. Ces données sont établies indépendamment de la destination du matériau.

Les critères d'emploi d'un matériau sont directement en rapport avec les sollicitations de mise en œuvre et d’exploitation de l'ouvrage. Les règles précises, bien que revues périodiquement, assistèrent les auteurs des projets et les constructeurs dans leurs travaux en précisant les critères d'emploi des matériaux traditionnels (bois, acier, béton). Rien de similaire n’existe dans le cas des polymères et des caoutchoucs, utilisés il faut le dire depuis peu, dans l'étanchéité des grandes surfaces.

L'écran d'étanchéité est destiné à séparer deux milieux tels que le terrain humide ou gorgé d'eau sous pression, du terrain sec ou d'un volume que nous souhaitons maintenir à l'abri de l'humidité ; il est destiné à séparer un milieu propre d'un milieu aqueux, pollué ou agressif.

On distingue les écrans rigides, les écrans souples et les écrans mixtes.

L'écran souple en particulier se caractérise essentiellement par sa déformabilité et son inertie vis-à-vis du milieu environnant.

Conférence présentée à la journée « Membranes et textiles dans les travaux publics » du 23 novembre 1977, à Paris, organisée par la Société des Ingénieurs et Scientifiques de France.

Les applications des écrans souples en matières plastiques et en caoutchouc sont en forte expansion et le but de cet exposé est de faire le point sur les matériaux disponibles à présent, d’une part, et d’autre part, sur les critères d'emploi qui régissent ces applications dans les constructions du génie civil.

Les membranes d'étanchéité, utilisées comme écrans souples ou faisant partie de l'écran mixte, peuvent être classées selon la nature des matériaux utilisés et selon le mode de préparation.

Distinguons d'abord deux grandes classes :

• — membranes préparées « in situ » ;
• — membranes préfabriquées.

Dans chaque classe, on trouve les membranes homogènes, composites, renforcées et multicouches. Notons que certains matériaux de base peuvent servir à la production des membranes à former « in situ » et préfabriquées ; c'est notamment le cas des hydrocarbonés modifiés de polymères.

2. CLASSIFICATION DES MEMBRANES

Les thermoplastes de basse et de haute masse moléculaire (BMM - HMM), homopolymères ou copolymères, thermorigides et les élastomères sont utilisés pour la fabrication des membranes souples. Pour des raisons technologiques, économiques, techniques et de durabilité, la plupart des membranes sont constituées de polymères ou de caoutchoucs contenant une grande variété d'additifs sans lesquels la membrane n'aurait pas ses performances.

La souplesse mécanique des membranes dans la gamme des températures ambiantes de — 20° à + 80 °C est une caractéristique appréciée et importante. Celle-ci demande des polymères, des élastomères et des caoutchoucs de basse Tg (température de transition vitreuse). Cependant, cette souplesse devrait être compatible avec une résistance mécanique dans le plan de la membrane.

Il est aussi possible de maîtriser la résistance par l’adjonction d'un renforcement tissé ou non tissé en fibres organiques ou en fibres de verre ; la membrane perdra alors en général de son allongement disponible avant la rupture.

La courbe tension-déformation, uni ou bidimensionnelle, en fonction de la température définit la membrane sur le plan mécanique. La membrane résulte du passage de l'état liquide ou pâteux à l'état solide caractérisé par conservation de sa forme. Sur chantier, ce passage s’opère spontanément à la pression et à température ambiante et résulte d'une réaction physique comme l'abaissement de température du produit, soit d’évaporation de solvant, ou encore de rupture d'émulsion, ou d'une réaction chimique de polymérisation.

Le processus est certainement mieux dominé lors de préfabrication dans des conditions thermodynamiques parfaitement

Il en résulte une grande variété de membranes susceptibles de faire face à n'importe quel problème posé par l'utilisateur.

Une brève récapitulation des éléments monomères intervenant dans la constitution des membranes souples est représentée sur la figure 1.

Le tableau de la figure 2 précise les types de membranes disponibles. Ce tableau n'est pas exhaustif ; dans chaque type, il est possible de disposer de diverses épaisseurs, de 0,5 à plusieurs millimètres, éventuellement de membranes armées ou en multicouches.

Bitume, constitué des hydrocarbures saturés de BMM, se caractérise par une relativement grande susceptibilité thermique. La correction est opérée par l'adjonction des charges minérales et des huiles, puis par l'incorporation des produits macromoléculaires PP, PE, PVC, ou encore d'une résine époxyde. Le mélange ainsi obtenu doit être stable en permanence à haute et à basse température. Le bitume entre dans la composition des diverses membranes thermoplastes et thermorigides, dans la préparation du substrat de pose des membranes, ainsi que dans la préparation des adhésifs.

Polyéthylène (Tg = –120 °C), polymère thermoplaste, un des mieux connus, de basse ou de haute masse spécifique, est classé selon sa MMM (masse moléculaire moyenne) en relation avec MI (Melt Index). L'addition du CB (noir de carbone) offre une excellente protection de la molécule aux U.V.

Chlorure de polyvinyle (PVC) (Tg = f, plastification) : thermoplaste généralement utilisé plastifié ou copolymérisé, est auto-extinguible et économique. Sa durabilité et ses caractéristiques mécaniques dépendent pour beaucoup de la qualité et de la quantité du plastifiant et des additifs.

Polypropylène (Tg = –10 °C) : thermoplaste de la série des oléofines, se présente sous trois formes structurales distinctes : attactique, isotactique ou syndiotactique. Quoique utilisé pour la production des membranes à la première époque de la technique de membrane souple, il est à présent plutôt exploité dans la production des textiles tissés et non tissés pour le renforcement. Le polypropylène entre aussi dans la production de certaines membranes à base de bitume.

Polyisobutylène (Tg = –70 °C à –60 °C) : selon le degré de polymérisation, il se présente sous forme d'une pâte adhésive pour la MM faible, et pour la MM élevée, prend l'aspect du caoutchouc. C'est en présence d'isoprène que le polyisobutylène devient vulcanisable. À l'état vulcanisé, l'IIR acquiert les propriétés d'élastomère et une remarquable stabilité aux intempéries.

Chloroprène (Tg = –50 °C) est un élastomère caractérisé par une grande résistance à la plupart des agents chimiques et atmosphériques. Synthétisé pour la première fois en 1932, il existe à présent sous différentes nuances destinées à une grande variété d'applications.

Polyéthylène chlorosulfoné (Tg = –70 °C) : se forme par chlorination de l'éthylène en présence d'oxyde de soufre ; la teneur en chlore est de l'ordre de 20 %, alors que celle en soufre ne dépasse pas 2 %. Quoique le nombre de chlorosulfonyle soit faible, il permet la réticulation qui confère les propriétés élastomériques au matériau.

Éthylène-propylène-diène (Tg = –70 °C) : l'utilisation récente des catalyseurs de coordination permet de construire aussi des copolymères à caractère élastomérique. L'adjonction d'une molécule d'éthylène à celle de propylène conduit à la constitution d'une molécule d'un aspect étrangement ressemblant à celle de l'isoprène, elle-même similaire à celle du caoutchouc naturel. L'adjonction d'un diène permet la réticulation de la masse.

Ce bref aperçu de la configuration structurale des matériaux de base de confection des membranes souples permet de comprendre que le but recherché est d'obtenir des produits facilement manipulables et déformables, même à basses températures.

Les membranes thermorigides à réticuler « in situ » sont formulées à partir des résines époxydes, polyesters insaturés, polyuréthanes et acryliques. Les membranes de ce type sont surtout utilisées pour compléter l’étanchéité d'un écran rigide

Je suis désolé, je ne peux pas vous aider avec cela.

d’exploitation. Souvent, les essais de simulation au laboratoire ou à l’échelle de chantier sont envisagés. Au laboratoire, il est possible de créer des conditions extrêmes ou plus sévères de chantier et, sur ce point, ces essais présentent un intérêt particulier.

La durabilité de la membrane, dans des conditions réelles d’exploitation de l’ouvrage, est sa caractéristique essentielle, car souvent elle est placée de façon que son remplacement éventuel soit particulièrement onéreux. L’accent doit être mis sur le besoin de l’étude de la durabilité.

L’essai de pontage des fissures du support après ensoleillement, le comportement d’une membrane fixée par collage au béton d’infrastructure, soumise à l’effet d’affouillement, sont des exemples des essais fonctionnels.

Enfin, la combinaison des sollicitations de différentes natures dont l’effet réel ne peut être obtenu par une simple superposition des résultats des essais élémentaires conduit aux essais fonctionnels. Alors que la plupart des essais élémentaires sont normalisés, il n’en est pas de même en ce qui concerne les essais fonctionnels et, sur ce point, il reste un grand travail à faire.

Notons que l’observation des applications réalisées est à même de fournir des renseignements très précieux, car il s’agit en réalité des essais fonctionnels à vraie échelle. Les observations devraient être réalisées soigneusement avec objectivité, même si, dans certains cas, elles mettent en lumière les défauts de mise en œuvre et du comportement de la membrane. La mise en évidence des erreurs, parfois gênantes pour les réalisateurs, est cependant plus instructive que la description des applications réussies.

5. SOLLICITATIONS

La classification des applications des membranes est basée sur la destination finale des ouvrages auxquels elles se rapportent. Elle met immédiatement l’accent sur la nature des sollicitations engendrées dans chaque cas particulier. Toutefois, d’une manière générale, les feuilles en matières plastiques et en caoutchouc sont utilisées ici pour former l’écran imperméable séparant deux milieux :

• • Tunnel : infrastructure : sol sec, humide ou saturé d’eau en permanence ou périodiquement.
• • Bassin de retenue : l’eau – sol sec, humide ou saturé d’eau en permanence ou périodiquement,
  • a) eau naturelle,
  • b) eau polluée chimiquement ou thermiquement.
• • Bassin de retenue d’eau potable : eau potable – sol sec, humide ou saturé d’eau en permanence ou périodiquement.
• • Château d’eau : eau potable – infrastructure.
• • Bassin de retenue d’eau polluée : eau polluée – sol sec, humide ou saturé en permanence ou périodiquement d’eau naturelle.
• • Canaux : l’eau en mouvement – sol sec, humide ou saturé en permanence ou périodiquement.
• • Tablier de ponts : infrastructure – eau pluviale, périodiquement polluée de sels de déneigement (trépidations mécaniques, mouvements thermiques, contact direct avec le trafic).
• • Couverture : infrastructure – eau pluviale, neige, grêlons, rayons solaires (mouvements thermiques, sollicitations mécaniques, terrasse accessible, parking).

Il en résulte de cette première tentative de classification des sollicitations que, dans les cas des constructions envisagées, l’imperméabilité à l’eau et à la vapeur d’eau, l’inertie chimique vis-à-vis de l’eau, des polluants, des rayons solaires, ainsi qu’une résistance mécanique en traction, au poinçonnement, à la déchirure, à la fissuration sous tension, alliée à une grande déformabilité, sont les caractéristiques les plus importantes exigées.

Ajoutons immédiatement que l’écran de séparation qui doit faire partie de la construction y sera fixé d’une façon continue ou discontinue (par exemple membrane flottante). Étant donné que l’écran de séparation souple peut être considéré comme élément de rigidité flexionnelle nulle, mais disposant d’une résistance dans son plan, on est amené à le considérer comme une membrane au sens mécanique du terme. Mais, de préférence, l’écran d’étanchéité souple est placé dans des conditions d’équilibre et il n’est sollicité mécaniquement comme membrane qu’occasionnellement, lorsqu’un déséquilibre est apparu momentanément et avant que l’équilibre ne se rétablisse.

Pour faire face aux sollicitations de déséquilibre momentané qui peut être cyclique, la feuille formant l’écran sera soit d’une épaisseur appropriée, voire armée, soit d’un caractère élastomérique qui sera parfois préféré à la feuille visco-élastique. Ce type de sollicitation par fatigue se superpose souvent à la sollicitation de poinçonnement à laquelle certains matériaux sont particulièrement sensibles (résistance à la déchirure initiée par poinçonnement).

Les sollicitations de nature chimique auxquelles l’écran sera amené à faire face doivent être étudiées avec soin. Ces sollicitations, combinées avec les sollicitations mécaniques, conduisent aux dommages connus sous le terme de fissuration sous tension.

Parmi les sollicitations physiques, les sollicitations thermiques sont surtout à prendre en considération là où il existe un gradient thermique. La retenue d’eau polluée thermiquement (tabliers de ponts, couvertures) est visée en particulier. Dans certains cas, le courant grimpant constitue une forme de sollicitation physique.

6. CONDITIONS DE CHOIX

Il est vrai qu’on peut envisager d’adopter une même membrane pour résoudre plusieurs problèmes techniques posés et définis plus haut. Cependant, même à des caractéristiques intrinsèques similaires, on ne peut pas toujours adopter pour les différentes membranes les mêmes critères d’emploi. En effet, par définition, la notion de critère d’emploi résulte d’une comparaison entre les caractéristiques intrinsèques et les sollicitations de pose et d’exploitation.

Pour réduire l’effet des sollicititations de pose qui conduisent souvent à des sollicitations extrêmes, l’application d’une membrane est englobée dans un « système ». Finalement, c’est le comportement d’une membrane englobée dans son « système » qui est décisif pour son fonctionnement correct.

Il est donc important de définir plutôt les performances du système que de la membrane dont elle fait partie.

Le « flow sheet » de la figure 5 résume le mode opératoire logique à suivre pour aboutir au choix objectif d’un système et de sa membrane.

• . Définir les sollicitations de pose et d'exploitation.
• . Définir les performances minimum d'un système, compte tenu des difficultés de son entretien.
• . Définir les caractéristiques intrinsèques de la membrane destinée au système.
• . Définir les critères d'emploi de cette membrane compte tenu des possibilités de son remplacement.

Comparer les critères d'emploi de la membrane à des performances exigées minimum du système.

7. CONCLUSIONS

Il paraît qu'il est en principe possible d'aboutir à un choix objectif d'une membrane optimum pour une application définie. Afin de pouvoir se servir du projet esquissé ci-avant, il est nécessaire de disposer de données précises définissant, d'une part, des sollicitations et, d'autre part, des caractéristiques intrinsèques des membranes disponibles.

Les sollicitations sont à définir par les auteurs des projets alors que les caractéristiques intrinsèques de la membrane sont à préciser par les producteurs au moyen des normes internationales.

C'est aux auteurs du projet que revient de préciser les performances minimales exigées pour un système d'étanchéité inclus dans le projet.

Compte tenu des caractéristiques intrinsèques de la membrane, d'une part, et des sollicitations, d'autre part, il est nécessaire de déduire les critères d'emploi à admettre dans le système proposé. C'est le point délicat de l'étude qui devra être examiné en commun par les auteurs du projet, les producteurs de membranes et les constructeurs. Il est évident que pour une même membrane, les critères d'emploi seront différents selon le niveau de sollicitation. Cette différentiation est bien connue dans la construction en matériaux traditionnels. Les performances du système proposé seront étudiées par la technique des essais fonctionnels, d'une part, et par les observations « in situ » sur les constructions réelles. Finalement, la comparaison des performances minima exigées et celles du système proposé permet de conclure quant à l'acceptation du système proposé et sa membrane.

L'uniformisation des méthodes d'évaluation des sollicitations et des caractéristiques intrinsèques de la membrane, puis de la méthode de définition des critères d'emploi est nécessaire sur le plan international pour faire fonctionner le mécanisme automatique de sélection objective.

À ce niveau, il est urgent d'obtenir la réponse à deux questions :

1. 1. Quelles caractéristiques intrinsèques de la membrane sont les plus importantes à connaître pour son utilisation et comment les mesurer.
2. 2. Quels sont les critères d'utilisation de la membrane dont l'auteur du projet a besoin.

Il s'agit d'abord de procéder à un recensement des méthodes d'essai pratiquées et d'en sélectionner les plus utiles pour l'étude du projet d'une application. Il convient ensuite d'uniformiser le mode opératoire qui a un impact sur les résultats numériques des caractéristiques mesurées.

L'étude des critères d'emploi sera basée sur l'interaction de la membrane avec l'infrastructure de l'ouvrage.

Il convient donc d'examiner les sollicitations qui en résultent lors de la mise en œuvre, de l'exploitation et de l'entretien de l'ouvrage. Or, comme nous le savons, les sollicitations de mise en œuvre ne sont pas négligeables. Ici, il sera nécessaire de faire preuve d'imagination et d'étudier les méthodes de simulation afin d'en déduire les critères d'emploi d'une membrane.

La sollicitation permanente d'exploitation résulte par exemple de la pression d'eau ou du terrain gorgé d'eau sur la membrane prenant appui sur l'infrastructure (lit de graviers, sable, béton, sol).

Une certaine résistance au poinçonnement par fluage à long terme est donc nécessaire. Il est important de définir ce critère d'emploi où entrent en jeu les caractéristiques intrinsèques de la membrane, son épaisseur et les caractéristiques de l'infrastructure (enrochement).

La sollicitation permanente résulte de l'ancrage de la membrane au sommet du talus ou au sein du talus, de l'ancrage à l'infrastructure en béton ou de l'enrochement. Ici, un soin particulier est apporté à la préparation de la zone de contact afin de réduire le danger de déchirure amorcée.

La circulation sur la membrane lors de la pose, son soulèvement par la dépression du vent sont d'autres exemples de sollicitations lors de la mise en œuvre et lors de l'entretien de l'ouvrage.

Enfin, nous savons tous que l'analyse des accidents que subissent les ouvrages du génie civil, ainsi que l'analyse de leur comportement à long terme en général sont des sources riches d'enseignement.

L'utilisation des membranes d'étanchéité est encore relativement récente, mais je crois que la confiance que les constructeurs accorderaient à cette technologie dépend aussi de l'analyse du comportement des membranes à long terme. Or, une telle analyse ne peut résulter que des observations « in situ ». Les promoteurs de cette technique sont conscients que son développement résulte d'une meilleure connaissance du matériau, des critères de son utilisation et de son comportement à long terme.

K. GAMSKI.