Brevet FR2451902A1 — publié le 19801017

Matériau de construction et son application notamment pour remblais, revêtement massif de fondation sur un scl meuble. La présente invention concerne un matériau de construction et son application notamment pour la cons truction de remblai, de revêtements routiers ou de sols, ou de massifs de fondation sur un sol meuble. Des matériau connus, utilisés notamment dans la construction et le génie civil, sont constitués de particules de différentes dimensions adhérant entre elles par l'intermédiaire d'-un liant -: mortier de ciment, bitume, résine, etc. Le béton de ciment, le béton bitumeux sont des exemples de cette famille. Les particules constituant cette famille de matériaux peuvent être de toute nature. On agit sur les propriétés de ces matériaux soit en sélectionnant les particules, soit en modifiant la quantité et/ou la qualité du liant. On constate expérimentalement que l'on n'obtient des résistances élevées dans cette famille de matériaux qu'en utilisant une répartition granulométrique des particules constitutives telles que la densité apparente du matériau obtenu se rapproche suffisamment de la densité moyenne des particules elles-mêmes et en utilisant une quantité de liant telle qu'elle remplisse la plus grande partie des vides laissés par l'assemblage des particules. Ce résultat s'explique par le fait que ces deux conditions concourent a augmenter la surface de contact entre le liant et les particules et par conséquent, le nombre des liaisons existant entre ces dernières, condition nécessaire à la bonne résistance mécanique de l'ensemble. Une première conséquence de cela est que, si l'on dispose d'un ensemble de particules dont la répartition granulométrique est telle que l'arrangement le plus compact que l'on puisse obtenir avec ces particules comporte un pourcentage de vides élevé, une quantité de liant importante est nécessaire, ce qui peut conduire soit à un coût excessif, soit à un comportement physique trop proche de celui du liant lui-même, soit à des difficultés de réalisation pratique du mélange. C'est ainsi qu'un certain nombre de matériaux non liés disponibles, soit naturels, soit provenant de l'activité humaine (notamment déchets ou sous-produits industriels) sont inaptes à un certain nombre d'emplois sous forme de matériaux liés en raison de leur répartition granulométrique inadaptée. Une seconde conséquence est qu'un matériau de résistance élevée, du fait qu'il comporte peu de vides, aura une faible perméabilité ; cette carattéristique est un inconvénient pour certaines applications. Le faible pourcentage de vides, associé nécessairement à l'augmentation de la résistance mécanique que l'on peut obtenir avec des composants donnés, peut avoir d'autres Conséquences qui sont néfastes dans certaines applications : rigidité excessive, conductibilité thermique élevée, masse volumique importante, etc. Par ailleurs, ces matériaux connus - constitués de particules et de liant - doivent être fabriqués par mélange et malaxage des deux composants ce qui a au moins deux conséquences importantes - le liant doit êtres au moment du mélange, dans un état physique tel que le mélange soit possible : état liquide ou pâteux, état pulvérulent, etc. Toutes les matitres utilisables en principe comme liant ne peuvent pas être mise sous cet état, compte-tenu par ailleurs, des limites physiques (par exemple température) imposées par les particules qu'il s'agit de lier. - l'état physique dans lequel doit se trouver le liant pour que le mélange soit possible peut conduire à des caractéristiques physiques et mécaniques du liant dans la matériau final éloignées des caractéristiques maximales qu'il pourrait avoir s'il était mis en oeuvre dans d'autres conditions. En effet, beaucoup de matériau exigent, pour la mise en valeur de leurs propriétés mécaniques potentielles, des traitements thermiques ou mécaniques (écrouissage, étirage, laminage, filage, etc.) qui ne peuvent être appliqués à un liant ni avant mélange parce que celui-ci ne serait plus possible, ni après parce qu'il n'est plus accessible au sein du mélange. On connaît par ailleurs un procédé pour donner un meilleur comportement mécanique à une masse de sol. I1 s'agit de l'incorporation d'éléments d'armatures, soit sous forme de bandes métalliques (système Terre Armée), soit sous forme de nappes textiles. Cependant, ces solutions constituent des systèmes et non pas des matériaux, étant donné - l'échelle géométrique de la répartition des armatures dans le sol (espacement des armatures dans le sens vertical de plusieurs dizaines de centimètres) - le fait qu'il s'agit de systèmes ordonnés, les armatures étant disposées de façon régulière et chacune d'entre elles étant mise en place individuellement. Le fait d'exiger une mise en place individuelle des armatures est par ailleurs, un inconvénient du point de vue du coût et/ou du délai de mise en oeuvre. L'invention remédie à ces inconvénients et a notamment pour but de réaliser un matériau de bonne resis- tance mécanique et pouvant être constitué à partir de particules quelconques. Ce but est atteint, conformément à l'invention, du fait que ce matériau comprend au moins un élément continu, souple réparti tridimentionnellement de façon désordonnée dans un ensemble de particules solides, de manière à contribuer à l'établissement d'une certaine cohésion entre les différentes parties de l'ensemble de particules. Avantageusement, l'élément continu est réparti de façon sensiblement uniforme dans l'ensemble de particules, et celles-ci sont avantageusement, mutuellement jointives Avantageusement, sa teneur, en poids, de particules est supérieure à celle d'élément continu, ladite teneur en poids d'élément continu étant de préférence, comprise entre quelques centièmes et quelques dix millièmes. Avantageusement, élément continu est choisi parmi les éléments suivants : fil comprenant au moins un filament continu chimique, fil textile formé à partir de fibres discontinues, fil métallique, bande métallique, bandelette, lame fibrillée. Avantageusement, l'élément continu constitue le seul moyen de liaison entre les particules. Alternativement, le matériau comprend en outre, un liant contribuant à solidariser l'élément continu avec les particules et les particules entre elles. Avantageusement, le liant est choisi parmi les produits suivants : liant hydraulique, liant hydrocarbonné, liant pouzzolanique additionné de chaux, liant chimique. Avantageusement, les particules sont choisies parmi les types de particules suivants : sable, gravier, cailloux, blocs rocheux naturels, fragments de sols naturels, granulats artificiels, blocs de béton, déchets solides domestiques ou industriels. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de plusieurs exemples de réalisation donnés ci-dessous en référence aux dessins annexés dans lesquels - La figure 1 est une vue schématique en élé- vation d'un mode de fabrication du matériau selon l'invention ; et - La figure 2 est une vue schématique en élévation d'une application possible du matériau selon l'invention. Ainsi, le matériau selon l'invention est constitué d'un mélange désordonné de particules et de fils, filaments, bandes continues, souples et/ou de leurs combinaison. Les particules constituent avantageusement, la plus grande partie du matériau en pourcentage pondéral. Elles peuvent être de toutes natures. Des particules de nature ou d'origine différentes peuvent être associées dans un même matériau. On peut citer comme particules pouvant être utilisées - les particules minérales naturelles telles que sables, gravier, cailloux, blocs rocheux naturels, sols fins, etc. - particules minérales naturelles traitées (par concassage, par traitements de surface, etc.) et/ou sélectionnées par criblage, tamisage, sédimentation ou tout procédé de sélection formant un mélange de composition granulométrique contrôlé et dont les propriétés des particules (forme, caractéristiques de surface, etc.) ont été améliorées - particules minérales reconstituées : blocs de béton, granulats artificiels constitués de sable et de fines agglomérés par un liant, granulats artificiels minéraux de toute nature tels qu'argile expansée, schiste expansé, etc., particules provenant du concassage, par un processus quelconque, d'un béton ou de tout autre matériau lié, tel que grave ou sable-ciment, grave ou sable-bitume, grave ou sable laitier, etc. -.particules, minérales ou non, d'origine industrielle. La granulométrie de l'ensemble des particules constituant le matériau peut être extrêmement diverse, aussi bien en dimensions extrêmes ou moyenne des particules qu'en distribution granulométrique, selon l'objectif poursuivi et/ou les conditions de fabrication. Les fils, filaments, laminettes (ou bandelettes), ou lames fibrillées constituant le deuxième composant fondamental du matériau objet de l'invention sont des éléments continus. I1 doit être donné au terme de "continu" dans le cadre de l'invention le sens qui lui est ordinairement donné dans l'industrie textile, c'est-à-dire qu'il s'agit d'éléments de grande longeur par rapport à des fils d'origine naturelle (dont la longeur est en général de l'ordre de quelques centimètres) ou par rapport à des fibres chimiques coupées telles qu'elles sont utilisées dans l'industrie. Les fils, filaments, bandes, bandelettes, continus dont il s'agit peuvent être fabriqués sur place immédiatement avant leur mélange avec les particules, ou fabriqués industriellement et réutilisées au moment du mélange sous un conditionnement approprié (bobine, écheveau, etc.). La nature des fils, filaments, bandes, bandelettes utilisés dans le matériau devra être telle que leurs caractéristiques mécaniques soient suffisantes pour un bon comportement mécanique du matériau final. Dans le cas de fils, la nature des fibres ou filaments entrant dans leur composition peut être très diverse : fibres naturelles végétales ou animales, fibres ou filament chimique et/ou métalliques. Les filaments, bandelettes ou lames fibrillées peuvent être de nature chimique et/ou métallique. Dans ce qui suit les fils, filaments, bandes, bandelettes et lames fibrillées continus et leurs combinaisons seront désignés par les termes d'éléments continus. Le pourcentage pondéral d'éléments continus dans le matériau prend, avantageusement, des valeurs allant de quelques pourcents à une valeur très faible par exemple de quelques pour d x-mille. On pourra utiliser différents paramètres pour décrire le matériau, et notamment les suivants - paramètres décrivant l'ensemble de particules (nature, propriétés mécaniques, dimensions, forme, répartition granulométrique, paramètres décrivant l'arrangement géométrique, etc).. - paramètres décrivant les éléments continus (nature, dimensions transversales, caractéristiques mécaniques, etc.). - paramètres décrivant les relations dans le matériau entre l'ensemble de particules et le réseau - ou ensemble - d'éléments continus, et parmi ceux-ci notamment les tourcentages, pondéral et volumique, des éléments continus par rapport aux particules la longueur moyenne d'éléments continus par unité de volume du matériau L la dimension M de la maille cubique moyenne théorique qui correspondrait à un réseau cubique tridimensionnel de même valeur L . la répartition géométrique des éléments continus au sein du matériau - paramètres décrivant le comportement global du matériau en fonction des emplois auxquels il est appelé. Selon un autre mode de réalisation le matériau objet de l'invention comporte, en plus des particules et des éléments continus, un liant ou additifs complémentaire. Ce liant peut être soit un liant hydraulique (ciment, chaux, etc.), soit un liant hydrocarbonné (bitume, goudron, etc.) soit un liant pouzzolanique additionné de chaux (comme liant pouzzolanique, on peut utiliser des pouzzolanes naturels ou des cendres volantes de centrales thermiques), soit un liant chimique (résine). Le matériau résultant de l'invention est constitué par l'imbrication d'un ensemble de particules et d'un réseau tridimensionnel d'éléments continus. La répartition des éléments continus au sein de l'ensemble de particules est désordonné ; les éle- ments continus sont disposés de façon aléatoire dans l'espace, leur disposition dépendant des conditions de fabrication et de mise en oeuvre. Le rôle principal des éléments continus par rapport à l'ensemble de particules est double 1. Contribuer a la résistance mécanique de l'ensemble. L'interaction mécanique du réseau d'éléments continus et de l'ensemble de particules est complexe. Les éléments continus sont mis en tension, lors des déformations de l'ensemble de particules, par différents mécanismes, parmi lesquels : le frottement entre les éléments continus et les particules, la mise en tension des boucles formées par les éléments continus au sein de l'ensemble de particules, les entrecroisements des éléments continus entre eux, qui limitent les possibilités de déplacement des éléments continus au sein de l'ensemble de particules. La résistance à la traction des éléments continus s'oppose alors aux déformations du matériau. La grande longueur des éléments "continus" joue un rle important dans l'apparition de ces mécanismes et par conséquent, dans la résistance globale de l'ensemble, à laquelle participe une masse d'autant plus grande de matériau que les éléments continus de grande longueur transmettent les efforts à des distances importantes de la zOne sollicitée initialement. 2. Améliorer la résistance à l'érosion externe ou interne de l'ensemble de particule, par suite de l'imbrication des particules au sein du réseau d'éléments continus, notamment par rapport à l'érosion due au ruissellement et à l'infiltration d'eau. La résistance à l'érosion sera d'autant meilleure que le rapport de M à la dimension moyenne des particules sera faible. Le matériau résultant de l'invention présente un certain nombre de qualites fondamentales qui constituent pour beaucoup d'applications des avantages importants par rapport aux matériaux disponibles actuellement. 1. La matière constituant les éléments continus (fils, filaments, bandes, bandelettes et leurs combinaisons) est utilisée sous une forme beaucoup plus efficace, à quantité égale, qu'un liant utilisé en masse, pour résister aux efforts de traction qui se manifestent au sein d'un ensemble de particules soumis à des sollicitations. Les éléments continus peuvent en effet, être produits dans un processus industriel adapté à la mise en valeur des qualités mécaniques potentielles de la matière qui les constitue ; ils peuvent en particulier être soumis à un étirage contrôlé et approprié à l'obtention de caractéristiques mécaniques optimales, en traction notamment. 2. L'emploi de la matière constituant les éléments continus sous forme de fils, filaments, bandes, bandelettes, lames fibrillées et/ou leurs combinaison permet une transmission efficace des efforts au sein du matériau tout en n'occupant qu'une fraction très faible des vides de l'ensemble granulaire.Ceci apporte plusieurs avantages importants 2.a) On peut utiliser un pourcentage pondéral ou volumique de la matière constituant les éléments continus par rapport à l'ensemble du matériau considérablement plus faible que dans le cas d'un liant utilisé en masse, pour obtenir un résultat mécanique équivalent 2.b) I1 est possible d'obtenir un matériau de qualité à partir d'un ensemble de particules de granulométrie creuse ou discontinue, - c'est-à-dire de granulométrie admettant un fort pourcentage de vide alors qu'un tel résultat est très difficile à obtenir avec un liant en masse sans utiliser de correction gra nulométrique. Cet avantage est particulièrement important pour la mise en valeur des matériaux disponibles de granulométrie inadaptée aux traitements par un liant en masse 2.c) Les vides de l'ensemble de particules n'étant pas occupés par un mortier ou liant, il est possible d'obtenir un matériau ayant à la fois une perméabilité élevée, une bonne résistance mécanique et une bonne résistance à l'érosion ; ce résultat est particulièrement intéressant pour de nombreuses applications dans lesquelles la conductivité hydraulique du matériau est un facteur important 2.d) Les vides de l'ensemble de particules n'étant pas occupés par un mortier, il est possible d'obtenir un matériau ayant à la fois une conductibilité thermique faible et une bonne résistance mécanique 2.e) Pour la même raison il est possible d'obtenir un matériau ayant une faible densité et une bonne résistance mécanique. 3. Sur le plan mécanique il est possible de réaliser des matériaux à la fois résistants et de défor mobilité contrôlable par un choix judicieux de la matié- re des éléments continus, du pourcentage utilisé et de la répartition géométrique des éléments continus dans la masse. Or il est important dans la conception des ouvrages, de pouvoir faire appel à des matériaux de défor mabilit voulue, ni trop faible, ni trop élevée, pour résoudre des difficultés de répartition de contraintes entre les différents éléments d'un ouvrage ou entre le sol et l'ouvrage. Les matériaux liés par des liants en masse sont souvent soit de rigidité excessive, soit sujets au fluage. 4. Les efforts au sein du matériau selon l'invention se répartissent et se transmettent de deux fagons complémentaires et plus ou moins indépendantes selon l'échelle à laquelle on se place dans le matériau ; d'une part de particule à particule au sein de l'ensemble de particules, d'autre part par le réseau d'éléments continus. Le caractère complémentaire de ces deux modes de transmission permet une compensation des hétérogénéités locales et par conséquent, une meilleure homogénéité mécanique globale ; notamment une faiblesse localisée (compressibilité, fragilité, etc.) d'une ou de quelques particules ne constituera pas un défaut initiateur d'un processus de rupture. On donne ci-dessous à titre d'exemple, les conditions dans lesquelles un matériau a été réalisé - particules : sable de granulométrie 0,2 à 2mm - élément continu : fil sans torsion de 17 tex formé de 46 filaments de polyester pourcentage pondéral de fil par rapport au sable : 0,14 pour cent ; - L = 0,125 m/cm ; - M = 4,9 mm. L'incorporation du fil dans le sable a été réalisé de la façon suivante (voir figure 1) - le sable 1 est amené avec un débit contrôlé par un tapis sans fin 2 - le sable 1 tombe dans une trémie 3 où il est entraîné par de l'eau émise sous forme de jet 4 par une buse ou lance 5 - sous la trémie 3 s'établit un écoulement constant d'eau et de sable 6 de forme et de vitesse contrôlées - un pistolet pneumatique 7 projette en direction de l'écoulement 6, un fil 8, qui provient d'un bobine 9 - lé dosage fil/sable est ainsi contrôlé par la maîtrise du débit de sable et de la vitesse de projection du fil 8 - l'ensemble sable + fil + eau se dépose sur un support îO,en nappes qui se recouvrent successivement au fur et à mesure de l'écoulement, pendant que l'eau est drainée naturellement nar gravité par exemple, vers des orifices d'évacuation lOa du support 10. Le matériau ainsi réalisé a une densité sèche de l,5g/cm3 environ. Placé dans un conteneur de faible rigidité (PVC) et soumis à cette densité à un essai de poinçonnement utilisant un poinçon circulaire de 50mm de diamètre, la force nécessaire à un enfoncement des poinçons de 5mm est approximativement de l/t, ce qui correspond à environ 50kg/cm2, pression sans commune mesure avec la pression de poinçonnement du même sable ne contenant pas de fil et placé à la même densité. Le matériau selon l'invention trouve notamment application dans les domaines de la construction et du génie civil (y compris bâtiment, génie rural, etc.). On peut à titre d'exemple envisager pour le matériau selon l'invention, l'application donnée cidessous, qui n'est citée que comme illustration sans être aucunement restritive des applications possibles. Cette application est représentée à la figure 2. Réalisation économique d'une route sur terrain sableux inapte, à l'état naturel, à recevoir des véhicules : on opère sur un terrain naturel constitué de sable propre de granulométrie : 0,2 à lmm, à l'état sec. Une couche superficielle 11 du sable du tracé est excavée par un chargeur-excavateur 12 qui alimente une bande transporteuse 13 ; celle-ci, placée parallèlement au tracé de la piste, a pour rôle de faire retomber le sable sur le tracé par l'intermédiaire d'un cyclône hydraulique - trémie 14 -. L'écoulement de sable et d'eau 15 a une forme et un débit qui permettent, de redéposer le sable régulièrement sur le tracé, en une couche 16 par exemple de 15cm d'épaisseur. Pendant la chute du sable sur le sol, des filaments 17 déroulés d'une bobine 90, sont projetés par voie pneumatique par un dispositif 70 sur le sable et s'y incorporent. Il s'agit de filaments polyester de 40 décitex, au dosage pondéral dé 0,15 pour cent du poids de sable. Compte-tenu de la largeur de la machine qui est de 2 mètres, l'opération est répétée en plusieurs passes parallèles dont le nombre est fonction de la largeur de la piste à réaliser. Une autre solution consiste à fabriquer le matériau en un endroit fixe et à le transporter et à l'épandre en place. L'ensemble des couches 16 déposées sur le sol, est alors compacté puis revêtu d'un enduit superficiel qui sera décrit ci-dessous. Si on l'estime souhaitable pour l'accrochage de l'enduit superficiel (ceci est fonction du type de véhicules appelés à circuler sur cette route), le processus de projection des fils 17 peut être réglé de telle sorte que la densité des fils 17 en surface de la couche 16 soit plus élevée que dans le reste de l'épaisseur de cette couche. L'enduit superficiel est réalisé de la façon suivante Une émulsion de bitume de 0,5 1/m est alors épandue, suivie du déroulement d'une nappe textile non tissée de 150g/m, celle-ci adhère à la couche sousadjacente par l'intermédiaire du bitume et des fils, qui la reliant à la masse. Un deuxième épandage d'émulsion et un gravillonnage complètent l'enduit superficiel. Dans l'application ci-dessus, la maille cubique théorique équivalente M a pour valeur 2,lmm et la 3 longueur de fil par unité de volume est L = 0,68 m/cm Un châssis roulant commun, qui peut être automoteur 18 supporte la bande sans fin 13, l'excavateur 12 et, le cas échéant, les éléments 14, 70, et 90. Fondation en sable dragué d'ouvrages sousmarins. I1 s'agit de réaliser un massif de fondation d'un ouvrage d'exploitation pétrolière en mer du Nord. Ùn sable grossier de granulométrie de 1 à 3mm a été dragué sur un site approprié et transporté par chalands sur le lieu de réalisation de l'ouvrage. Ce sable est repris par voie hydraulique et des fils polyamides de 100 décitex sont incorporés au sable par entrat- nement hydraulique direct. Ce dosage des fils en poids est de 0,2% du poids du sable (M = 3mm). L'ensemble sable + fils est déposé au fond pour constituer progressivement un massif de fondation résistant àl'érosion pendant la phase de réalisation et de caractéristiques mécaniques élevées. Une protection extérieure définitive est réalisée par dépôt, par le même procédé, d'un matériau divisé plus gros, de granulométrie de 5 à lOmm, les fils étant des fils de 150 décitex dosés, en poids, à 0,3% du poids du matériau divisé (M = 3mm). Autres applications possibles du matériau selon l'invention - couches superficielle protégeant une zone sableuse (désertique par exemple) de l'érosion éolienne. - matériau léger ét isolant constitué par le matériau résultant de l'invention dans lequel les particules sont des granulats légers (argile expansée par exemple) ; - couche drainante et filtrante pour revêtement de berges ou protection côtière - remblai en masse ayant une pente de talus plus forte que ne le permettraient les particules utilisées sans éléments continus - - remblai en masse résistant à l'érosion - matériau de revêtement résistant à l'érosion; - sous-couche de chaussée en béton - sous-couche pour voie ferrée. Revendications 1. Matériau de construction, c a r a c t é r i s é en ce qu'il comprend au moins un élément continu souple réparti tridimensionnellement de façon désordonnée dans un ensemble de particules solides, de manière à contribuer à l'établissement d'une certaine cohésion entre les différentes parties de l'ensemble de particules en enlaçant ces parties. 2. Matériau selon la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que les particules de l'ensemble sont jointives entre-elles. 3. Matériau selon l'une des revendications 1 et 2, c a r a c t é r i s é en ce que l'élément continu est réparti de façon sensiblement uniforme dans le volume occupé par l'ensemble de particules. 4. Matériau selon l'une des revendications 1 à 3, c a r a c t é r i s é en ce que sa teneur, en poids, de particules est supérieure à celle d'élément continu ladite teneur en poids d'élément continu étant, de préférence, comprise entre quelques centièmes et quelques dix millièmes. 5. Matériau selon l'une des revendications précédentes, c a r a c t é r i s é en ce que l'élément continu est choisi parmi les éléments suivants : fil comprenant au moins un filament continu chimique, fil textile formé à partir de fibres discontinues, fil métallique, bande métallique, bandelette , lame fibrillée. 6. Matériau selon l'une des revendications 1 à 5, c a r a c t é r i s é en ce que l'élément continu constitue le seul moyen de liaison entre les particules. 7. Matériau selon l'une des revendications 1 à 5, c a r a c t é r i s é en ce qu'il comprend en outre un liant contribuant à solidariser l'élément continu avec les particules et les particules entre-elles. 8. Matériau selon la revendication 7, c a r a c t é r i s é en ce que le liant est choisi parmi les produits suivants : liant hydraulique, liant hydrocarbonné, liant pouzzolanique additionné de chaux, liant chimique. 9. Matériau selon l'une des revendications 1 à 8, c a r a c t é r i s é en ce que les particules sont choisies parmi les types de particules suivants sable, gravier, cailloux, blocs rocheux naturels, fragments de sols naturels, granulats artificiels, blocs de béton, déchets solides industriels ou domestiques. 10. Application du matériau selon l'une des revendications précédentes à la réalisation de remblais, revêtement ou massif de fondation sur un sol meuble, c a r a c t é r i s é e en ce qu'on prélève une partie superficielle dudit sol meuble, on la mélange avec au moins un élément continu et on redépose ledit mélange sur le sol meuble.