Brevet FR2603884A1 — publié le 19880318

PROCEDE DE FABRICATION D'UN MATERIAU A STRUCTURE ALVEALAIRE DE FORTE PERMEABILIT, MATERIAU OBTENUU L'invention concerne un procédé de d e fabrication d'un matériau à structure alvéolaire ouverte elle a pour objet la réalisation d'un matériau associant, d'une part, une perméabilité très élevée permettant en particulier une absorption très rapide des linuides à travers ledit matériau et, d'autre part, d'excellentes qualités de résistance mécanique, autorisant notamment son utilisation comme revêtement à haute soliicitation (revêtements autoroutiers, revêtements d'aérodrome...). L'invention s'étend au matériau fabriqué par mise en oeuvre dudit procédé et à ses diverses applications. De nombreuses études ont été effectuées pour réaliser des matériaux combinant perméabilité et résistance. Par exemple, les brevetes FP n 2 545 819 et 2 066 236 décrivent des bétons perméables réalisés à partir de ciment, liant @@@athét que et aprégats ; ces bétons laissent filtrer les liquides mais les vitesses de passage sont faibles. Par ailleurs, le brevet japonnais n 14855/78 décrit un matériau de revêtement routier, réalisé à partir d'agrégats et d'un liant synthét gue, en l'absence de ciment ; dans son moce de mise en oeuvre le plus performant, le procédé visé dans ce brevet japonais consiste à utIliser des sables, fines et agrégats, de granulométrie répartie entre 1 mm et 20 mm, et à les mélanger à un liant synthétique constitué par de ia résine époxy. D'après les indications de ce brevet, les qualités de résistance du matériau obtenu sont très bonnes (résistance à la compression : 360 kg/cm ; résistance à la flexion : 135 kg/cm), mais la perméabilité, quoique meilleure que pour la plupart des matériaux connus de ce type, demeure médiocre puisque le vitesse d'absorption est de 25 cc/cm.min (25 centimètres cube par centimètre carré et par minute). En cas d'orages par exemple, un tel matériau est Inapte à assurer une absorption instantanée des eaux et à éviter un ruissellement de surface. La présente invention vise un procédé de fabrication d'un matériau du type ci-dessus évogué, bénéficiant d'une perméabilité considérablement accrue (muitipliée par un facteur dépassant 10), tout en présentant les caractéristiques de résistances mécaniques de bétons de très bonnes qualités. Un objectif de l'invention est ainsi de réaliser au moyen dudlt matériau, des revêtements de voiries, circulations, aérodromes, parkings, aires de stockage, entourage de piscines, ou autres surfaces, possédant des qualités mécaniques appropriées et garantissant l'èvacuation extrêmement rapide des eaux déverses sur ceux-ci, en vue de supprimer tous les phénomènes préjudiciables provenant du ruissellement desdites eaux sur ces surfaces ("aquaplaning"...). Un autre objectif est la réalisation de partie de construction (murs de soutènement, sols ventilès, planchers pour diffusion de gaz...) recuérant des qualités de perméabilité et de résistances mécaniques. Un autre objectif est d'utiliser ies propriétés spécufiques du matériau provenant essnetiellement de sa structure O jolaire re ouverte et de son coefficient ne vide élevé, dans des applications particulières (isolation phonique, support de substrat nutritif vécétal ou biologique...). A et effet; le procédé de fabrication vrs par l'invention est du type utilisant des granuiats à forte cohésion interne tels par exemple que silex, quartz, obsidienne, porphyre... et un liant à base oe résine synthtique polymérisable à faible module d'élasticité telle par exemple que résine acrylique, époxy , polyester thermodurcissable... ;; ie procédé conforme à ia présente invention se caractérise en ce que - on sélectionne un granulat appartenant à un fuseau granulométrique D1/D2 tel que D1 - à éliminer dudit granulat les particules ayant un diamètre inférieur à 2,5 mm de façon à ce qu'elle représente en pois moins de 1 % ou granulat, - à mélamger de façon homogéne audit granulat une quantité Q de résine synthétique, satisfaisant sensible me n t à + 10 % près, à ia relatIon suivante 62 Q = -- (où Q est le poids de résine en kilogramme D par mètre cube de granulat et O ie diamètre moyen du granulat exprimé en centimètre). Les expérimenatations ont mis en évidence que, de façon inattendue, ia dombinison des conditions de mise en ouvre sus-évoquées (sélection d'un granulat de faible hétérogénéite granulatorétrique, supprission totale des fines, sables et petites particules, dosane spécifique de la résine en fonction de la granulométrie du granulat) conduisat à un matérau alvénlaire de perméabilité remarquble, présentant des vitesses d'absorption de liquide multipliées par un facteur de l'ordre de 10 à 15 par rapport aux matériaux fabriqués conformément à l'art antérieur au moyen des mêmes @@sines, le matériau l'invention béneficiant par ailleurs de qualités mécaniques comparables à celles de bons bétons. Les résines thermodurcissables utilisées peuvent être du type monocompasant ou multicomposant, armées ou non, En pratique, on chisira des résines ayant un module d'élasiticité inférieur à 50 %. Les résines acryloue, époxy, polyester thermodurcissable donnent de bons résultats mais il est également possible d'utiliser des résines vinyliques ou polyurethanes à foin le module d'élasiticité. Sel on les applications et les propriétés recherchées, ces résines pourront être chargé es au moyen de dIverses c barges connues, par exemple résine époxy chargée par une émulsion de. brai. Le granulat peut être constitué par une espèce déterminée (natureiie ou de synthèse) ou par un n mélange ; (par "oranuiat", on entend écaiement des particules ou billes préalablement fabriquées telles que billes de verre...). Dans le cas d'un revêtement ou d'application dans le domaine des travaux publics et du bâtiment, un tout-venant rouié contenant des silex, quartz, porphyres est généralement bien approprié.La sélection granulométrique dudit granulat est une opération essentielle ; en effet, comme ies exemples le montreront, ia perméabilité dé croit très rap dement s l'on sort des conditions granulométriques définies précédemment ou si l'on laisse dans le granulat un reliquat trop important de fines particules (la définition utilisée pour les mesures de granuiométrie est conforme aux normes "NF P 1 8 - 304 et NF X 13 - 501"). Selon un mode de réaiisation préféré convenant dans de nombreuses applications, l'on séiectionne un granulat de granulométrie sensiblement uniforme appartenant à un fuseau D1/D2 tel que D1 soit inférieur de moins de 10 % à D2. Ce choix d'un granulat de diamètre sensiblement constant accroît encore les vitesses d'absorption du matériau. La dimension du granulat dans plage sus-évoquée (dans ce cas : 5 mn # D1 # 600 mm) sera choisie en fonction de l'application envlsacée. Le procédé de l'invention permet de fabriquer des couches à perméablité omnidirectionnelle, l'écoulement au coeur du matériau pouvant s'opérer, aussi bien suivant une direction perpendiculaire à la surface de la couche (débit de percolation) que suivant des directions transversales parallèles à ia surface de ceile-ci (débit transversal).Dans ce cas, ie mode préférentiei de mise en oeuvre du procédé consiste, après sélectIon du granulat et suppresion des fines, à mélanger audit granulat ia quantité appropriée de résine (calculée au moyen de la relation précitée en fonction de la granulométrie du granulat) ; bien entendu, par "résine", on entend la résine conditionnée dans laquelle sont préaiabiement ajoutés les additifs classiques de polymérisation (dureisseur, et/ou cataiyseur, et/ou accélérateur) avec les dosages habituels préconisés par ie fabricant (éventueiiement fonctions de ia température de mise en oeuvre) ; le mélange est ensuite homogénéise par agitation et déversé sur un support de mouiage qui peut être perméable si l'on veut obtenir une évacuation directe des eaux à travers celui-ci ou, au contraire, étanche si l'on veut assurer une évaction latérale des eaux. Il est possible de réaliser une couche perméable à plusieurs lits superposés de caractéristiques différentes, adaptées à itapplication envisagée ; chaque 1 lit est réalisé par le processus ci-dessus indiqué en utilisant des qranulats de fuseaux granulométriques différents pour chaque lit. Le procédé de l'invention peut en particulier être appliqué pour constituer des supports nutritifs pour végétaux ou micro-organismes : plusieurs lits sont réalisés successivement conformément au procédé sus-indiqué, ces lits étant séparés par des nappes "géotextiles" ; par "nappe géotextile", on entend seion ia définition courante, une nappe textile, imputrescible, perméabie à l'eau mais apte à arrêter les particules solides (en particuler nappe non tissée synthétique). Un ou plusieurs lits sont ensuite garnis d'un substrat nutritiff adapté à l'espèce à cultiver ou à développer: ia proportion de vide très élevée du matériau (45 % à 55 %) rend de dernier particulièrement adapté à cette application. Par exemple, pour des surfaces engazonnables, la couche comprend avantageusement dieux lits séparés par une nappe géotextile intermédiaire : le lit supérieur sert de réceptacle à un substrat végétai qui en garnIt les vides, cependant que ie il t inférieur rempli t orne fonction de drainage et de support. Par silleurs, le procédé de l'invention peut, dans certains cas, être complété par une opération finale consistant à déverser sur ie matériau obtenu une quant té comlémentaire de résine en une ou plusieurs percolations, avec polymérIsatIon de celie-ci entre chaoue percolation. Il est ainsi possible, au prix d'une mise en oeuvre plus compiexe, d'accroître les qualités de résistance du matériau en vue de certaines applications particulières ; on peut atteindre de la sorte des résistances à la compression supérieures à 400 bars, tout en bénéficiant d'une remarquable perméabilité. L'invention s'étend, en tant que tei, au matériau à structure alvéolaire fabriqué par les divers modes de mise en oeuvre précédemment définis ; ce matériau se caractérise essentieilement par : - une proportion volumique de vide approximativement comprise entre 40 % et 50 ;, - une vitesse de passage de i'eau supérieure à 200 cc/cm.min, - une résistance à ia compression au moins éaale à 100 bars. Une autre propriété intéressante du matériau de l'invention est qu'il as.socie à un coefficient de vide important un poids spécifique élevé, ce qui lui confère un excellent pouvoir d'isolation phonique. Ainsi les applications dudit matériau sont multiples : - revêtements (autoroutiers, voiries, pistes d'aérodrome, zones de parking, aires de stockage, entourage de piscines...), - protection lourde d'étanchéité circulaible, - éléments de construction de terrase-jardin engazonnoble ou de murs inclinés ou verticaux engazonnatles, - murs de soutènement drainent, incolmatable, gabions, - éléments ou @ssifs de drainage, vertical ou horizontal, - planchers de dIffusIon de gaz, - revêtement de sécurité dans certaines industrie (chimiques...), - murs ou cloisons anti-bruits, - support pour i a cuiture de végétaux ou ie développement de micro-organisme. Dans ces appiications, le matériau peut être fabriqué in situ ou mis en oeuvre par juxtaposition de daiies ou carreaux préfabriqués. La description qui suit en référence aux dessIns annexés, présente plusieurs exemples destinés à iilustrer l'invention ; sur ces dessins - la figure 1 est un schéma d'une instaiiation ayant permis de mesurer les vitesses d'absorption et de passage d'eau à travers le matériau, - la figure 2 est un diagramme donnant les variations de la résIstance à la compression Rc et de la vitesse d'absorption verticale Vv en fonction de ia quantité Q de résine utilisée dans le matériau (exemple 1), - la figure 3 est une coupe schématique d'une dalle engazonnabie réalisée conformément à l'invention. Les mesures de perméabilité verticale du matériau ont été effectuées au moyen de l'instaiiation schématisée à la fIgure 1. Un réservoir 1 d'une capacité de 270 litres permet de libérer une quantité d'eau déterminée par un orifice la muni d'un conduut cyiindrique 4 d'axe vertical. L'orifice la est obturé par une cioche étanche 2 qui peut être soulvée brusquement au moyen d'un système à levier 3. Associée au conduit 4, une garniture permet de fixer une éprouvette cylindrique E du matériau à tester. Les essais ont été effectués en dIsposant 6C lItres d'eau dans le réservoir, en utilisant des éprouvettes de diamètre égel a 15,96 cm (surface frontaie : 200 cm) et en mesurant la durée d'évacuation de i'eau du réservei r (durée séparant ie retrait de la cloche 2 de l'observation du niveau 0 dans le réservoir). Cette mesure permet de calculer ia vitesse vert caie @v de passage de i'eau à travers le matériau, exprimée de la façon habituelle en cc/cm.min (centImètres cube par centimètre carré et par minute). (A noter que les éprouvettes avaient 10 cm environ de hauter ; toutefois au-delà de quelques centimètres, ce paramètre n'a aucune infiuence sur les vitesses mesurées). L'installtaion précitée permet également d'effectuer des mesures de perméabilité transversaie en disposant au-dessous du conduit 4 une piaque du matériau à tester étanché ment fixée sur un support fermé sur trois cotés. EXEMPLE 1 Cet exemple vise à iilustrer i'infiuence primordiale du dosage de résine en fonction de ia granulonétrie du granulat. Le granulat utiiisé est un tout-venant roulé, constitué de silex (50 % en poids), quartz (40 %) et porphyre (10 %). Ce granulat a été passé Sur tamis afin de iui conférer une granulométrie sensiblement uniforme de diamètre égal à + 10 % près à 10 mm. A cet effet, le granulat brut est successIvement passé sur des tamis à mailles carrées de 9 mm de côté de 11 mm de côté. Le granulat retenu sur la premier tamis et passant au travers du second est conservé. En outre, plusieurs tamisages complémentaires sur des tamis de 5 mn et 2,5 mn sont effectués afin de supprImer les fines ou sables et, en particulier, de ramener le pourcentage de particules de diamètre inférieur à 2,5 mm à une valeur négligeable (moins de 1 en poids). Plusieurs échantillons de matériau sont alors fabriqués au moyen du granulat obtenu en utilisant une résine époxy (résine "EPONAL 336" fabriquée par la Société "SOXAL") mèlangée aux doses approorlées de durcisseur (25 % en poids de durcisseur à base de méthylène diamine). Pour chaque échantillon le granulat et la résine ainsi conditionnée sont malaxés ensemble, puis ie mélange est coulé dans un support de moulage de forme cylindrique à lénère dépouille de cérmoulane. Après une durée de polymérisation de 12 heures à 20 C, l'échantilon est démoulé. Plusieurs échantillons sont fabriqués pour chaque dosace ce résine afin de permettre de @rocéder sur ceux-ci aux mesures de perméabilitsse et de résistance. Le dosage de la résine e été amena à varier entre une valeur de l'ordre de 2D kg de résIne par m de granula t et une vaieur de l'ordre de 90 kg/m . Les mesures de perméabilité verticale ont été effectuées au moyen de l'instanllation déjà décrite. Les mesures de résistance mécanique ont été effectuées conformément aux normes d'essai du C.S.T.R. (les éprouvettes présentaient un diamètre de 15,96 cn; et une hauteur ae 32 cm). Les courbes obtenues sont tracées à ia figure 1. La courbe A donne ia perméabilité verticale (en cc/cm.min) en fonction du dosage de résine (kg/m ) : cette perméabIlIté décroît légèrement de 300 cc/cm.min à envIron 250 cc/cm.min puis s'effondre brusquement pour prendre une vaieur faible, au-deià de 75 kg de résIne par m3 de granulat. La courbe P donne ia résistance à ia compression (en bars) en fonction du dosage de résine. Audessous de 45 kg de résine par m de granulat, cette résistance est faible. Au-delà de 55 kg/m , elle croît rapidement pour atteindre des valeurs compatibles avec une utilisation du matériau dans les travaux pubiics ou Se bâtiment. On constate donc qu'il existe un domaine remarquabie s'étendant autour de ia vaieur O = 62 kg de résine par m de granulat où, à la fois, la perméabilité est exceptionnelle (supérieure à environ 250 cc/cm3.min), c'est-àdire presque dix fois supérieure à celle du matériau japonais déjà évoqué) et la résistance mécanique est bonne (supérieure à'environ 100 bars). Des essais répétés avec des granulats ce granulométries différentes et des résines époxy vendues par différents fabricants ont permis de définir le dosace idéal de 62 le résine Ckg/m = --- où D est le diamètre moyen des Dcm granulats en centimètre.Une plane de # 10 % autour de cette valeur fournit un matériau combinant d'excellentes caractéristiques de perméabilité et de bonnes caractéristiques mécaniques. EXE;'PLE 2 D'autres essais ont été réalisés avec un granulat de même nature mais de granulométrie pius élevée. Le granulat sélectionné appartenait au fuseau granulométrique 18 mm/20 mm, les fines particules étant éliminées de ia même façon qu'auparavant. Le dosage de ia résine époxy (de nature identique à ia précédente) a été ajusté à 32,6 kg/m . La résistance à la compression de ce matériau est de 185 bars, sa résistance à ia flexion de 77 bars. La vitesse verticale d'absorption et de passage de i'eau est de 301 cc/cm2.min. Le poids spécifique est de 1 700 kg/m3. Le coefficient de vide est de l'ordre de 45 %. La dimension des interstIces est de l'ordre de 0,024 cm3 Des essais de colmatage ont été effectués en bourrant les interstices avec des cendres addItIonnées d'argile (à l'exclusion de matières adhésives). Ces produits de colmatage sont rapidement éliminés par arrosage du matériau ils sont entièrement entraînés par le flux d'eau traversant le matériau lequel reprend très vite son état de propreté initial. Ainsi, le matériau de l'inventioon possède la propriété intéressante d'être difficilement coimatable. En outre, une étude de résistance au gel du matériau a été effectuée sur ia base des recommandations du "CETUR" concernat les matéiaux de revêtement de sol (compiérrents techniques de février 1985). Des aiternances de gels et de dégeis n'entraînent pas de modifications apparentes du matériau oui garde toutes ces qualités. EXEMPLE 3 Cet exemple porte sur la fabrication d'un matériau à partir d'un granulat moins uniforme que dans les cas précédents mais demeurant dans un fuseau granulométrique tel que D2 4 - 15 % de granulat de 8 /10 arn de diamètre, - 20 % de granulat de 10 /12,5 mm de diamètre, - 20 % de granulat de 12,5 /16 mm de diamètre, - 40 % de granulat de 16 /20 mm de diamètre. Comme précédemment, ie granula t est un mélnage de silex, quartz et porphyre. Les fines particules sont éliminées (moins de 1 % en poids). Le diamètre moyen du granulat est en cm: D = 0,15 x 0,9 + 0,20 x 1,125 + 0,20 x 1,425 + 0,40 x 1,8 = 1,365 cm. 62 La quantité de résine utilisée est C = Dcm = 45,4 kg/m3. La perméabilité vertlcaie d'un tel matériau est de 243 cc/cm.min ; sa résistance à la compressIon est de 205 bars. EXEMPLE 4 Un matériau est fabriqué dans les mêmes conditions que celie de l'exemple 3 avec un granulat appartenant au fuseau 12,5/31,5, contenant en voiume - 10 % de granulat de 12,5/16 - 10 % de granulat de 16 /20 - 15 S de granulat de 20 /25 - 65 % de granulat de 25 /31,5. Le diamètre moyen du granulat est en cm de D = 0,10 x 1,425 + 0,10 x 0,18 + 0,15 x 0,225 + C,65 x 2,325 = 2,19 cm. 62 La quantité de résine utilisée est P = - = 2e,3 kg/m3. La perméabilité verticale d'un tel matériau est de 285 cc/cm.min ; sa résistance à la compression de 190 bars. EXEMPLE 5 Cet exemple vise une application de procédé de l''invention pour réaliser des dalles engazonnables telles ou-e schématisées à ia ficure 3, destinées à couvrir un soi 5 (terrasse ou autres). Chaque dalle engazonnable est fabriquée par moulage dans un support de moulage creux de hauteur appropriée. Un premier lit 6 destiné à faire office de couche de drainage est réalisé conformément au procédé décrit au moyen d'un granulat appartenant au fuseau 10/14. La quantité de résine époxy utilisée est de 51,7 kg/m3. Avant la fin de la polymérisation de la résine, une nappe géotextile 7 est appliquée sur la surface supérieure du lit 6 de façon que cette nappe vienne adhérer sur ladIte surface. Cette nappe 7 de type connu en soi, peut être en un matériau textile synthétique non tissé. Un second lit 8 est ensuite coulé au-dessus de ia nappe 7 en utilisant un granulat de diamètre plus élevé appartenant au fuseau 31,5/40. La quantité de résIne époxy utilisée est de 17,3 kg/m3. Après polymérisation, un substrat nutritif 9 constitué par de la terre végétale est insére dans les interstices de la couche 8. A titre indicatif, l'épaisseur du premier lit 6 peut être de l'ordre de 30 mm et i'épaisseur du second lit 8 de l'ordre de 5C mm. REVENDICATIONS 1/ - Procédé de fabrication d'un matériau à structure alvéolaire de forte perméabilité, à partir de granulats à forte cohésion interne, tels, par exemple, que silex, quartz, obsidienne, porphyre... et d'un liant à base de résine synthétique polymérisable à faible moduie d'élasticité telle par exemple que résine acrylique, époxy, polyester thermodurcissable..., ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste - à sélectionner un granulat appartenant à un fuseau granulométrique D1/02 tel que D1 - à éliminer dudit granulat les particules ayant un diamètre inférieur à 2,5 mn de façon à ce qu'elles représentent en poids moins de 1 % du granulat, - à mélanger de façon homogéne audit granulat une quantité Q de résine synthétique, setisf@@@sant sensIblement à # 10 % près, à la relation suivante 62 Q = -- (où Q est le poids de résine en kilogramme par D mètre cube de granulat et D 1e diamètre moyen du granulat exprimé en centimètre). 2/ - Procédé de e fabrication selon ia revendication 1, caractérisé en ce que l'on sélectIonne un granulat de granulométrle uniforme appartenant à un fuseau D1/D2 tel que D1 soit inférieur de moins de 10 à à 3/ - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, permettant de fabriquer une couche d'un matériau à perméabilité omnidirectionnelle, caractérisé en ce que l'on mélange au granulat la quantité appropriée de résine satisfaisant à la relation précitée, l'on homogénéise par agitation le mélange et l'on déverse celui-ci sur un support de mouiage. 4/ - Procédé permettant de réaliser une couche de matériau à plusieurs lits superposés de caractéristiques différentes, caractérisé en ce que l'on réalise successivement les lits conformément à la revendication 3 en utilisant des granulats de fuseaux granulométriques différents pour chaque lit. 5/ - Procédé permettant do réaliser une couche de matériau à plusieurs lits superposés en vue notamment de la mise en place d'un substrat nutritif dans un ou plusieurs desdits lits, caractérisé en ce que l'on réalise successivement les iits conformément à la revendication 3 en les séparant par des nappes géotextiles. 6/ - Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 ou 2 permettant de fabriquer une couche d'un matériau à résistance mécanique accrue, caractérisé en ce qu'il comprend une opération finale supplémentaire consistant à déverser sur ie matériau une quantité complémentaire de résine en une ou plusIeurs percolatlons, en laIssant, ie cas échouant, rad te résine polymériser entre chaque percoìation. 7/ - Procédé de fabrication selon l'une des revendIcatIons précédentes, dans leou.ei on utilise une résine époxy chargée par une émulsion de brai. 8/ - matériau à structure alvéolaire réalisé par mise en@ oeuvre du procédé conforme à l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, se caractérisant par . une proportion volumique de vide approximativement comprise entre 45 % et 55 %, une vitesse de passage de i'eau supérieure à 200 cc/cm.min, . une résistance à la compression au moins égale à 100 bars.