Drains et matériaux de drainage

CHAPITRE
11
Drains et matériaux de drainage
11.1 INTRODUCTION
Les drains agricoles peuvent être fabriqués avec différent matériaux tels que la terre cuite, le
ciment et plus récemment en matières thermoplastiques comme le polyéthylène (PE), le polychlorure de vinyle (PVC) et le polypropylène. Aujourd’hui, les drains sont presque exclusivement fabriqués de thermoplastiques. Pour des raisons historiques, les drains sont principalement fabriques de polyéthylène en Amérique du Nord et de PVC en Europe.
Les tuyaux utilisés pour le drainage agricole au Québec sont fabriqués avec du polyéthylène
haute densité (> 0,940 g/cm3) auquel du noir de carbone (minimum 2 %) est généralement
ajouté pour le rendre résistant aux rayons ultra--violets du soleil. Les tuyaux de polyéthylène
sont fabriqués par un procédé d’extrusion.
Ce chapitre présente sommairement les caractéristiques des tuyaux de polyéthylène fabriqués
au Québec en considérant les normes du Bureau de normalisation du Québec (BNQ, 2007).
11.2 TUYAUX EN POLYÉTHYLÈNE et NORMES
Au Québec, les tuyaux de polyéthylène utilisés en drainage agricole sont régis par les normes
suivantes du Bureau de normalisation du Québec [http://www.bnq.qc.ca] :
BNQ 3624--115/2007
Tuyaux annelés flexibles et raccord en thermoplastique pour le
drainage des sols (BNQ, 2007).
BNQ 3624--001/2000
Tuyauteries en matière plastique -- Définitions, désignations et
dimensions (BNQ, 2000).
DRAINS ET MATÉRIAUX DE DRAINAGE
170
et par l’ASTM (American Society for Testing and Materials [http://www.astm.org] :
ASTM D2412--02 (R 2008) Standard Test Method for Determination of External Loading
Characteristics of Plastic pipe by Parallel--Plate Loading
(ASTM Standard D2412, 2002).
ASTM D2444--99 (R 2005) Standard Test Method for Determination of the Impact Resistance of Thermoplastic Pipe and Fittings by Means of a Tup (Falling Weight) (ASTM Standard D2444, 1999).
ASTM D3350--06
Standard Specification for Polyethylene Plastics pipe and Fittings Materials (ASTM Standard D3350, 2006).
ASTM D4218--96 (R 2008) Standard Test Method for Determination of Carbon Black Content in Polyethylene Compounds by the Muffle--Furnace Technique (ASTM Standard D4218, 1996).
11.3 MATÉRIAUX DE FABRICATION
11.3.1 Le polyéthylène
La résine de polyéthylène utilisée pour la fabrication des tuyaux de drainage (BNQ, 2007) doit
être un polyéthylène vierge, un polyéthylène recyclé, un rebut industriel de polyéthylène ou un
polyéthylène remis en oeuvre qui doit être conforme à la désignation PE324420 selon la classification par propriétés spécifiées par la norme ASTM D3350 (ASTM Standard D3350, 2006).
Cette désignation signifie :
un indice de densité (density)
3
0,940 -- 0,955 g/cm3
un indice de fluidité (melt index)
2
1,0 -- 0,4
un indice de module de flexion (flexural modulus)
4
552 -- 758 MPa
un indice de résistance à la tension (tensile strength
at yield)
4
21 -- 24 MPa
un indice Slow crack growth resistance
2
Les raccords fabriqués par soufflage doivent utiliser une résine PE324420, les raccords fabriqués par injection doivent utiliser une résine PE314420 et ceux fabriqués par rotomoulage doivent utiliser une résine PE213310.
Un plastique ayant une classification par propriété différente de celles qui sont spécifiées précédemment peut être utilisée en autant que chacun des indices par propriétés soit égal ou supérieur à ceux spécifié précédemment.
11.3.2 Protection contre les rayons UV
Comme les tuyaux et les raccords sont exposés au rayonnement ultra--violet (UV) lors de l’entreposage extérieur, ils doivent être protégés contre le rayonnement UV par l’addition de noir
de carbone ou d’autres absorbeurs UV (BNQ, 2007).
CARACTÉRISTIQUES DIMENSIONNELLES
171
Lorsque le noir de carbone est utilisé, la quantité additionnée au polyéthylène doit être d’au
moins 2 % sans dépasser 5 %. La teneur en noir de carbone est déterminée selon la norme
ASTM D4218 (ASTM Standard D4218, 1996).
11.4 CARACTÉRISTIQUES DIMENSIONNELLES
11.4.1 Aspect
Les tubes et les raccords doivent présenter un aspect homogène et être exempts de craquelures,
piqûres, bulles, matières étrangères ou autres défauts visibles à l’oeil nu. De plus, ils doivent
présenter visuellement une couleur et une épaisseur uniformes. Leurs extrémités doivent être
coupées de manière nette et à angle droit.
11.4.2 Les caractéristiques géométriques
La figure 11.1 présentent les principales caractéristiques géométriques des tuyaux de drainage
ondulés. Les ondulations ont pour objectif d’augmenter la rigidité du tuyau pour un minimum
de matière plastique utilisée. Les filets sont soient parallèles ou hélicoïdaux. Les tuyaux sont
généralement caractérisés par leur diamètre intérieur nominal. Les diamètres intérieurs nominaux fabriqués au Québec sont 75 mm, 100 mm, 150 mm, 200 mm, 250 mm et 300 mm
(tableau 11.1). Le diamètre intérieur moyen doit être compris entre le diamètre nominal moins
2 mm et 105 % du diamètre nominal pour les tuyaux dont le diamètre nominal est égal ou inférieur à 150 mm. Pour les tuyaux ayant un diamètre nominal supérieur à 150 mm, le diamètre
intérieur moyen doit être compris entre 98,5 % et 105 % du diamètre nominal.
Une ovalisation inférieure à 5 % du diamètre extérieur est tolérée. La longueur minimale des
bobines de tuyaux doit être égale à au moins 99% de la longueur nominale et les longueurs
nominales sont spécifiées au tableau 11.1.
11.4.3 Les perforations
Les perforations (BNQ, 2007) (figure 11.1) qui peuvent être sous forme de fentes ou de trous
circulaires doivent être pratiquées dans le fond des anneaux ou des filets. Elles doivent être
uniformément réparties le long de l’axe longitudinal et être disposées en trois rangées au moins
autour de l’axe du tuyau ou selon la demande des utilisateurs
La largeur ou le diamètre des perforations lorsque circulaires) doit être compris entre 0,5 mm
et 2,0 mm, tandis que l’aire totale de perforation doit être d’au moins 32 cm2 par mètre de
tuyau. La longueur des fentes doit être inférieure à 55 mm.
Les perforations doivent être dépourvues de bavures susceptibles de restreindre le passage de
l’eau et ce, tant sur la surface interne que sur la surface externe.
172
Figure 11.1 Caractéristiques géométriques et dimensions des perforations (BNQ, 2007).
MÉTHODES D’ESSAI ET DE CONTRÔLE
173
11.5 MÉTHODES D’ESSAI ET DE CONTRÔLE
11.5.1 La rigidité
Lorsqu’ils sont installés, les tubes en plastique se déforment sous le poids du sol se trouvant au
dessus. Malgré une résistance due au support latéral du sol qui l’entoure, le tube doit avoir une
résistance qui se mesure par l’essai de rigidité.
L’essai (BNQ, 2007) doit être fait dans une presse hydraulique conformément aux exigences
de la norme ASTM D2412 (ASTM Standard D2412, 2002) sur des échantillons d’une longueur 305 mm ± 5 mm si le diamètre nominal est inférieur à 300 mm ou d’une longueur égale
au diamètre nominal ± 30 mm si le diamètre nominal est égal ou supérieur à 300 mm.
Cet essai consiste à presser dans une presse hydraulique (schématisée à la figure 11.2) une
éprouvette de tuyau placée entre deux plateaux parallèles qui se rapprochent à vitesse constante, et à mesurer la force de compression qui en résulte en fonction de la déformation. Si la
rupture se produit, la charge de rupture ainsi que la déformation correspondante sont notées.
L’essai est arrêté lorsque l’éprouvette a atteint une déformation de 15 % de son diamètre intérieur.
Charge
Indicateur de
charge
Indicateur de
déformation
Piston de
la presse
Éprouvette
Plateaux
parallèle
Figure 11.2 Schéma d’une presse hydraulique pour mesurer la rigidité des tuyaux (BNQ,
1981a).
174
Les valeurs de rigidité sont calculées pour des déformations de 5 % et 10 % par rapport au diamètre intérieur moyen par la formule suivante :
R% =
F%
Lo ∆y %
[11.1]
R% = Rigidité (Kpa ou KN/m2) pour une déformation de 5 % ou 10 %
F% = Charge (KN) pour une déformation de 5 % ou 10 %
Lo = Longueur de l’éprouvette (m)
∆y %
= Déformation à 5 % ou 10 % (m)
∆y 5% =
D in
20
∆y 10% =
D in
10
Din = Diamètre intérieur du drain (m)
Les valeurs à retenir sont les plus basses obtenues parmi les trois éprouvettes testées. Les
valeurs de rigidité minimales sont respectivement 210 kPa et 160 kPa pour des déformations
de 5 % et 10 %. Lors de cet essai, les tuyaux ne doivent présenter ni fissuration ni séparation de
la ligne de moulage longitudinale.
11.5.2 La résistance à l’allongement
Lors du déroulement des tuyaux et leur installation dans les tranchées, les tuyaux sont soumis à
des tensions axiales qui peuvent l’amener à s’étirer et entraîner une réduction de leur rigidité.
L’essai d’allongement (BNQ, 2007) est effectué dans le but de prévenir ces risques.
Cet essai consiste à suspendre verticalement une éprouvette de 1,5 m de longueur chargée
d’abord par une charge initiale (aussi appelée charge de redressement) de 0,18 N/mm fois le
diamètre intérieur nominal (en mm) du tuyau. Par la suite, une charge d’essai de 0,90 N/mm
fois le diamètre intérieur nominal (en mm) du tuyau est ajoutée. Au bout de 3 minutes, le pourcentage d’allongement entre deux repères préalablement fixés lors de l’étape de redressement
et distant de 0,76 m est mesuré. L’allongement est mesuré sur trois éprouvettes et la moyenne
ne doit pas dépasser 10%.
11.5.3 La résistance aux chocs
Durant le déchargement des tuyaux de leur remorque sur le site de construction, ils peuvent
subir des chutes accidentelles. L’énergie résultant de cet impact doit être absorbée sans causer
des dommages aux tuyaux. Cette capacité d’absorption des chocs est quantifiée par l’essai de
résistance aux chocs (ASTM Standard D2444, 1999) qui est effectué dans toutes les normes
nord américaines.
L’essai de résistance aux chocs (BNQ, 207) doit être effectué conformément aux exigences de
la norme ASTM D2444 (ASTM Standard D2444, 1999). L’essai consiste à faire tomber un
poids de 1 kg de type B (figure 11.3) en chute libre d’une hauteur de 1,0 m sur une éprouvette
MÉTHODES D’ESSAI ET DE CONTRÔLE
175
découpée dans le tuyau à soumettre à l’essai, et à constater s’il y a ou non fissuration ou autres
dommages. L’essai est réalisé sur dix éprouvettes mesurant au moins 200 mm et comportant au
moins trois anneaux complets. Les éprouvettes sont conditionnées pendant au moins 24 heures
dans une chambre réfrigérée à 0°C ou pendant au moins 4 heures dans un bain d’eau à une
température de à 0°C. Les éprouvettes doivent être soumises à l’essai dans un intervalle de 15
secondes suivant leur sortie de la chambre de conditionnement ou du bain d’eau. Chaque
éprouvette doit être examinée à l’aide d’un appareil d’éclairage adéquat pour déceler toute
fente ou toute fissure. Les dix éprouvettes ne doivent présenter ni fente, ni fissure après avoir
été soumis à l’essai. Les figures 11.4 et 11.5 présentent un schéma de l’appareil utilisé lors de
l’essai de résistance aux chocs.
Figure 11.3 Poids de type B utilisé lors de l’essai de résistance aux chocs (ASTM Standard D2444, 1999).
Figure 11.4 Schéma de l’appareil utilisé lors de l’essai de résistance aux chocs (ASTM Standard D2444, 1999)..
176
Figure 11.5 Schéma de l’appareil utilisé lors de l’essai de résistance aux chocs (BNQ,
1981b).
11.6 RACCORDS
Les raccords peuvent être des manchons (figure 11.6), des tés (figure 11.7), d’embranchements (figure 11.7) et de bouchons. Les manchons servent à joindre deux longueurs de tuyau.
Les tés servent à joindre un latéral à un collecteur ou un collecteur à un autre collecteur à angle
droit. Les embranchements ont le même usage que les Tés mais le font à un angle de 45_. Les
bouchons servent à fermer le bout des latéraux ou des collecteurs pour empêcher le sol de pénétrer dans les tuyaux.
Les raccords utilisés pour l’assemblage des tuyaux doivent être désignés conformément au
chapitre 5 de la norme NQ 3624--001 (BNQ, 2000). Ils ne doivent pas être perforés et ne doivent pas diminuer de façon notable la vitesse d’écoulement de l’eau dans les tuyaux. Le fabricant doit spécifier les raccords à utiliser et les techniques d’assemblage des raccords et des
tuyaux.
177
Figure 11.6 Manchons (BNQ, 2007).
Té
Figure 11.7 Té et embranchement (BNQ, 2007).
Embranchement
178
11.6.1 Longueur d’emboîture des raccords
Les raccords doivent offrir à chaque joint une longueur d’emboîture couvrant au moins deux
anneaux complets ou la largeur de deux filets pour les tuyaux hélicoïdaux. De plus, la longueur
d’emboîture doit être au moins égale à :
1. 50 % du diamètre nominal lorsque ce dernier est de 250 mm ou moins;
2. 40 % du diamètre nominal lorsque ce dernier est supérieur à 250 mm mais inférieur ou égal à 375 mm;
3. 150 mm, lorsque le diamètre nominal est supérieur à 375 mm.
11.6.2 Résistance des joints à la séparation
Les tuyaux de drainage sont habituellement vendus en rouleaux de 30 m à 125 m ou en bobines
pouvant aller jusqu’à 1200 m pour les tuyaux de 100 mm de diamètre, selon le manufacturier et
les besoins du client. De ce fait, des manchons sont nécessaires pour assurer la continuité de
l’installation ou pour remplacer une portion de conduite endommagée. Les joints doivent être
capables de se plier et de passer au travers de la machine d’installation sans s’endommager ou
se séparer de la conduite.
L’essai de résistance des joints à la séparation (BNQ, 2007) permet de mesurer la résistance
d’un joint sous une charge. Le principe consiste à vérifier l’état d’assemblage du tube suspendu verticalement sous une charge de redressement (0,18 N/mm) multipliée par le diamètre
nominal (mm) du tuyau et sous une charge de traction de 0,90 N/mm fois le diamètre nominal
(en mm) du tuyau appliquées suivant l’axe. Cet essai utilise les mêmes charges et le même
mode opératoire de l’essai de résistance à l’allongement Le résultat est satisfaisant si aucune
séparation de joint ne se produit. L’essai est réalisé sur trois éprouvettes.
11.6.3 Résistance des joints à l’écrasement
L’essai de résistance des joints à l’écrasement (BNQ, 207) doit être effectué conformément
aux exigences de la norme ASTM D2412 (ASTM Standard D2412, 2002) dans un presse
hydraulique. Chaque éprouvette est constitué en un assemblage formé d’un raccord lié à un ou
plusieurs tronçon de tuyaux et assemblés conformément au mode d,emploi du fabricant. Les
tronçons de tuyaux utilisés doivent avoir une longueur minimale de 150 mm. Chacun des
joints d’une éprouvette est comprimé jusqu’à ce que son diamètre intérieur moyen atteigne
une déformation de 20 %. Les joints entre les tuyaux et les raccords ne doivent pas se défaire et
les raccords ne doivent présenter ni fente ni fissure après avoir été soumis à cet essai. Trois
éprouvettes sont utilisées lors de cet essai.
179
Tableau 11.1 Diamètres et longueurs des tuyaux aux fins de drainage agricole (BNQ, 2007).
Diamètre
nominal
(mm)
Longueur nominale
(m)
Nombre maximal
de manchons
75
125 et les multiples* de 125 sans dépasser 2125
8
100
75 et les multiples* de 75 sans dépasser 1200
**
125
75 et les multiples* de 75 sans dépasser 1200
**
150
30 et les multiples* de 30 sans dépasser 300
2
200
6 et les multiples* de 30 sans dépasser 180
1
250
6 et les multiples* de 30 sans dépasser 120
1
300
6 et les multiples* de 30 sans dépasser 60
s. o.
400
6 et les multiples* de 30 sans dépasser 60
s. o.
* Multiple d’un nombre entier dans le cas d’un tuyau enroulé sur une bobine d’une capacité de plus de 75 m (appelé “bobine géante”).
** Le nombre maximal de manchons est de 1 pour des longueurs nominales de 75 m et
150 m. Le nombre maximal de manchons est déterminé par la longueur nominale
divisée par 225 pour les longueurs nominales de 225 m et plus.
180
BIBLIOGRAPHIE
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Characteristics of Plastic pipe by Parallel--Plate Loading. (Reapprove 2008). ASTM
International, West Conshohocken, PA.
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3624--001/2000. Bureau de normalisation du Québec, Québec.
BNQ, 2007. Tuyaux et raccord en polyéthylène (PE) -- Tuyaux flexibles pour le drainage -Caractéristiques et méthodes d’essais. BNQ 3624--115/2007. Bureau de normalisation
du Québec, Québec.
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Proceedings of the first national conference on flexible pipes. A. A. Balkema, Rotterdam.