Depuis une trentaine d'années, les géomembranes sont largement employées dans les ouvrages hydrauliques, notamment pour assurer leur étanchéité. Dans un souci de préservation de l'environnement, il est donc essentiel de mieux connaître la durabilité de ces produits, afin d'optimiser leur conception et leur utilisation. Ici, il est question d'évaluer la performance de deux familles de géomembranes bitumineuses, l’une en bitume élastomère et l’autre en bitume oxydé, installées dans le même bassin depuis quinze ans. Les résultats permettront de fournir des préconisations d'utilisation essentielles pour les producteurs et les exploitants d’ouvrages.

Les géosynthétiques ont été largement utilisés ces trente dernières années dans de nombreuses applications hydrauliques et environnementales. Différents enseignements ont pu être tirés de l’expérience relativement aux différentes structures concernées aux différents stades de conception et de réalisation : dimensionnement, phases de tests préliminaires, construction, contrôle. Heibaum et al. (2006) indiquent que la plus grande diversité d’utilisation des géosynthétiques est réalisée dans les ouvrages hydrauliques. Ces auteurs indiquent également que la durabilité des géomembranes dans les ouvrages hydrauliques peut atteindre vingt à trente ans, voire plus pour des géomembranes exposées, pour autant que leur formulation soit adaptée. Pour autant, ces durées de vie proviennent d’études dont le nombre est extrêmement limité (moins de dix) pour des durées de vie de cet ordre. Il faut aussi que le dispositif d’étanchéité par geomembrane (DEG) dans son ensemble ait été bien conçu, construit et contrôlé. La durée de vie attendue des géomembranes recouvertes, qui sont ainsi protégées des conditions climatiques et des agressions mécaniques est significativement plus longue, toujours d’après ces auteurs.

Cette question de la durabilité des géomembranes dans les ouvrages hydrauliques est une question récurrente, à laquelle on ne sait pas toujours bien répondre, faute de retours d’expérience suffisants. La question de la protection de l’environnement n’est pas prégnante dans ces ouvrages car ils ne contiennent que de l’eau. Il n’y a donc pas de risque de pollution des sols et des aquifères environnants en cas de rupture de l’étanchéité. Pour autant, la rupture de l’étanchéité aura pour l’exploitant de l’ouvrage une répercussion financière : impossibilité d’utiliser l’ouvrage pendant le temps nécessaire à la réalisation d’une expertise, d’études et de la réfection.

Ces différentes étapes d’analyse de la situation et de reconstruction de l’ouvrage vont également induire des dépenses pour l’exploitant. La question de la durée de vie de la géomembrane, au-delà de la période de garantie décennale, est donc essentielle.

Les retours d’expérience acquis sont aussi essentiels pour les producteurs de géomembranes. Les analyses réalisées par des laboratoires de recherche et d’essais qui leur sont transmises vont leur permettre de connaître l’évolution de leurs produits et en retour d’améliorer les process de fabrication pour obtenir des géomembranes toujours plus performantes.

Les retours donnés par les laboratoires sur les conditions d’utilisation optimales sont également essentiels pour optimiser les conditions d’utilisation des géomembranes.

Pour les laboratoires, l’accès à ces connaissances ne peut se faire que s’ils disposent d’un accès aux ouvrages comportant des géomembranes installées depuis un temps suffisamment long, au moins une dizaine d’années.

La quantification de la durabilité des géosynthétiques ne peut donc s’opérer qu’au travers des collaborations entre les industriels, les exploitants de sites et les laboratoires de recherche et d’essais.

Cet article s’intéresse plus particulièrement à la durabilité des géomembranes bitumineuses. À ce jour, c'est seulement le second article sur cette thématique. Même si des résultats ont donc déjà été publiés une fois, relativement à la durabilité des géomembranes en bitume oxydé, il est important de les valider par des études complémentaires. On ne peut en effet se satisfaire d’un seul retour d’expérience. La littérature met en effet souvent en évidence des résultats contradictoires, dans des études complémentaires. Cet article fait tout d’abord le point sur ce que sont ces géomembranes. On verra qu’il en existe de deux types, en lien avec le liant qui les constitue. Celui-ci va affecter leur performance. Des observations visuelles, des mesures de flux ainsi que de la chromatographie d’exclusion stérique ont été effectuées sur les géomembranes de manière à quantifier leur évolution après quinze ans d’exposition dans un même bassin. Ces tests permettent de mettre en évidence l’effet des conditions d’exposition sur la durabilité des géomembranes et de donner non seulement un retour en ce qui concerne leur évolution, mais également des préconisations en matière d’utilisation de ces géomembranes bitumineuses. Ces informations sont essentielles pour les producteurs et les exploitants d’ouvrages et doivent être considérées au moment de leur conception pour s’assurer d’une optimisation de la durée de vie de l’ouvrage.

Si l’utilisation des géomembranes en bitume oxydé se réduit en France car certaines recommandations ou réglementations interdisent son usage, il n’en va pas de même dans d’autres pays du monde où les exigences peuvent être différentes, et la connaissance de ces géomembranes bien moins bonne car elles y sont d’utilisation plus récente. Il est donc essentiel de prévoir une surveillance de ces matériaux pour connaître leur évolution dans le temps, car leur usage dans des conditions défavorables pourrait engendrer des risques. C’est donc l’intérêt de cet article de présenter des données existantes afin de permettre à l’utilisateur quel qu’il soit de se protéger de mauvaises utilisations.

Caractéristiques des géomembranes bitumineuses étudiées

Le site de Bazancourt est une raffinerie de sucre située dans la Marne. Le bassin étudié est utilisé pour collecter des eaux de process issues de la raffinerie (photo 1). Une géomembrane en bitume oxydé a été utilisée pour étancher la première moitié du bassin, tandis qu’une géomembrane en bitume élastomère a été utilisée pour réaliser l’extension. L’étanchéité a été posée en 1997 pour ces deux parties. Les échantillons ont été prélevés en haut de la pente au-dessus de la zone de marnage, exposition sud, en août 2013.

Au cours des quinze dernières années, les températures extrêmes ont fluctué entre – 13 °C pour les mois les plus froids et + 39 °C pour les plus chauds, avec une température annuelle moyenne comprise entre + 6,1 °C et + 15,1 °C. Au cours des dix dernières années, la durée moyenne d’ensoleillement a varié entre 1 274 et 2 026 heures.

Une géomembrane en bitume oxydé et une géomembrane en bitume élastomère ont été utilisées afin d’assurer l’étanchéité du bassin. La photo 2 et la photo 3 montrent les aspects respectifs des états de surface des deux geomembranes au moment du prélèvement. On peut observer qu’à la surface de la géomembrane en bitume oxydé, le bitume d’enduction est rare et que l’on aperçoit la trame de l’armature imprégnée de bitume. On parlera ici de micro-fissuration. La surface de la géomembrane en bitume élastomère est différente. On aperçoit un faïençage superficiel qui reste limité à la surface du bitume d’enduction encore bien présent. Aucune micro-fissuration (fissure dans la masse de bitume qui pénètre jusqu’à l’armature) à la surface n’est visible pour cette géomembrane.

Des résultats en faveur la géomembrane en bitume élastomère

Une mesure du flux d’eau au travers des deux échantillons de géomembranes prélevés a été effectuée en modifiant la différence de pression hydraulique appliquée dans la norme NF EN 14150 et en la réduisant à 50 kPa. Cette adaptation a été motivée par le fait que l’on a déjà observé pour des géomembranes bitumineuses prélevées in situ qu’il n’était pas possible d’appliquer la charge hydraulique prescrite dans la norme, car elle donne lieu à des débits de fuite trop importants en lien avec le vieillissement possible de la géomembrane. La valeur finale du flux obtenue à l’équilibre sur sept jours est égale à 1,9 × 10-6 m3/m2/j pour la géomembrane en bitume élastomère. Elle est à peine supérieure aux valeurs obtenues pour des géomembranes vierges (inférieures à 10-6 m3/m2/j).

Dans le cas de la géomembrane en bitume oxydé, les flux mesurés sont respectivement égaux à 4,65 × 10-5 et 4,49 × 10-5 m3.m-2j-1 à l’amont et à l’aval de la géomembrane sous une différence de pression de 50 kPa. Les flux peuvent donc être considérés comme égaux. Ces valeurs sont cohérentes avec les valeurs de flux précédemment mesurées par Touze-Foltz et al. (2010) pour des géomembranes en bitume oxydé exposées. Cette seconde étude sur la durabilité des géomembranes bitumineuse confirme donc les résultats précédemment obtenus.

Les flux sont donc d’un ordre de grandeur supérieur à ceux mesurés pour une géomembrane en bitume élastomère dans les conditions du site de Bazancourt.

La principale cause de vieillissement des liants bitumineux pendant le service est l'oxydation de certaines molécules et la dégradation du polymère. L’oxydation se traduit par la formation de molécules et d’associations moléculaires de grandes tailles. La dégradation du polymère quant à elle résulte de la coupure des chaînes de polymère qui conduit à la formation d'oligomères de tailles plus petites que celles des polymères. Ces modifications de tailles moléculaires sont facilement mises en évidence par chromatographie d'exclusion stérique (CES), technique qui permet de séparer les molécules d'un mélange en fonction de leur taille.

Des solutions bitumineuses de concentration 2 % (masse/volume) en GMB dans du tetrahydrofurane (THF) ont été analysées (figure 1). Pour les deux GMB, 0,1 g de bitume situé au cœur de la GMB (c’est-à-dire au contact de la trame polymérique) a été immergé dans 5 mL de THF. Les molécules les plus lourdes traversent plus rapidement les colonnes que les molécules les plus légères. Ainsi, les premiers pics apparaissant sur les chromatogrammes correspondent aux molécules les plus lourdes : le polymère, les produits de l’oxydation.

La figure 2 présente l’allure des chromatogrammes obtenus pour les deux géomembranes.

Les chromatogrammes des liants extraits des GMB permettent d’identifier le polymère par trois pics mal résolus à 10,4 mL, 11,0 mL et 11,5 mL. Le bitume oxydé élue entre 12,0 mL et 19,1 mL alors que le bitume du liant modifié par l’élastomère élué entre 13,5 mL et 19,1 mL. La largeur du chromatogramme du bitume oxydé accompagnée d’un épaulement important à 14,8 mL met en évidence la présence d’entités de grandes tailles.

La teneur en polymère, calculée en considérant le rapport de la surface du pic du polymère par rapport à la surface de la totalité du liant (bitume + polymère) est de 9,5 % ± 0,36 % après quinze ans d’utilisation.

Les chromatogrammes des liants extraits des géomembranes (figure 2) permettent d’identifier le polymère par trois pics mal résolus à 10,4 mL, 11,0 mL et 11,5 mL.

Le bitume oxydé correspond au pic situé entre 12,0 mL et 19,1 mL alors que le bitume du liant modifié par l’élastomère est situé entre 13,5 mL et 19,1 mL. La largeur du chromatogramme du bitume oxydé accompagnée d’un épaulement important à 14,8 mL met en évidence la présence d’entités de grandes tailles, correspondant à une oxydation.

La teneur en polymère calculée est de 9,5 % environ après quinze ans d’utilisation.

La comparaison des chromatogrammes des bitumes représentés sur la figure 2 montre bien l’absence de pic du polymère dans le bitume oxydé et les différences de structure chimique entre les deux type de liants bitumineux. L’épaulement à 14,8 mL est beaucoup plus important pour le bitume oxydé que pour le bitume polymère. Ceci s’explique par la présence de fonctions chimiques oxydées (majoritairement des carbonyles et des sulfoxydes) et de molécules de grandes tailles.

Conclusion et perspectives

L’objectif de cet article était d’évaluer la performance de deux géomembranes bitumineuses de nature différente, un bitume oxydé et un bitume élastomère, installés dans le même bassin depuis quinze ans.

Bien que le coût des géomembranes ne soit que de quelques euros au mètre carré et que celui-ci ne représente que quelques pourcents du coût total de l’ouvrage, la pérennité de ces matériaux est essentielle pour que l’ouvrage puisse remplir sa fonction. Leur recouvrement, indispensable pour les géomembranes en bitume oxydé induit un surcoût.

Les différences de composition et de propriétés des bitumes oxydés et élastomères ont tout d’abord été exposées.

Les résultats obtenus, en termes d’état de surface, de mesure de flux et de chromatographie d’exclusion stérique ont ensuite été présentés.
La valeur de flux mesurée pour la géomembrane en bitume élastomère sous une différence de pression de 50 kPa est légèrement supérieure au seuil de mesurabilité donné dans la norme NF EN 14150 qui correspond aussi aux valeurs obtenues pour des géomembranes vierges (10-6 m3/m2/j), avec une valeur de 1,9 ×10-6 m3/m2/j. Le flux mesuré pour la géomembrane en bitume oxydé est proche de 4,5 × 10-5 m3/m2/j, soit un ordre de grandeur supérieur à la valeur obtenue pour la géomembrane en bitume élastomère.

Ce résultat a été expliqué par la différence d’état de surface des deux géomembranes et la fragilisation notée sur la géomembrane en bitume oxydé.

Le polymère actif est toujours présent dans la géomembrane en bitume élastomère après quinze ans en service.

Les résultats obtenus dans cette étude relatifs au comportement de la géomembrane en bitume oxydé sont cohérents avec les résultats obtenus précédemment dans une seule autre étude et conduisent à la recommandation de ne pas laisser les géomembranes en bitume oxydé exposées sur site, alors que les géomembranes en bitume élastomère peuvent elles rester exposées.

Cette recommandation sera portée à la fois par le producteur, mais également par les laboratoires qui communiquent sur ce résultat. On ne devrait donc plus à l’avenir rencontrer de géomembranes en bitume oxydé exposées, car ce ne sont pas leurs conditions d’utilisation optimales.

Pour citer cet article :

Référence électronique :
TOUZE-FOLTZ, Nathalie ; FARCAS, Fabienne, Vers une durabilité accrue des géomembranes bitumineuses, Revue Science Eaux & Territoires, Les géosynthétiques, numéro 18, 2016, p. 14-19, 09/03/2016. Disponible en ligne sur <URL : http://www.set-revue.fr/vers-une-durabilite-accrue-des-geomembranes-bitumineuses> (consulté le 28/11/2021), DOI : 10.14758/SET-REVUE.2016.18.04.

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