Brevet FR2770235A1 — publié le 19990430

La présente invention concerne une structure stabilisée comportant des éléments minéraux séparés individuels et un procédé de stabilisation d'une telle structure à l'aide d'un complexe de stabilisation. Des structures comportant des éléments minéraux sont connues dans différents domaines tels que, par exemple, la construction de voies ferrées et la construction de routes. Dans de tels domaines, on rencontre des éléments minéraux ou pierreux, par exemple des cailloux issus de pierres concassées de roches magmatiques et de certaines roches métamorphiques. Ces éléments pierreux peuvent notamment être disposés de façon à former un lit de cailloux destiné à constituer le ballast d'une voie ferrée ou une couche de base dans la construction routière. Dans la présente description, les expressions minéraux et pierreux qualifiant les éléments des structures et les expressions cailloux et éléments seront utilisées indifféremment. Dans ce type de structures d'éléments pierreux, il se pose souvent le problème de la stabilité. Ainsi, ce problème est apparu d'une manière éclatante avec l'essor des trains à grande vitesse, qui génèrent sur leur passage un effet d'aspiration provoquant un soulèvement des cailloux formant le ballast de la voie ferrée. II peut s'agir de cailloux de faible calibre, susceptibles d'atterrir sur la table de roulement des rails, et ainsi être écrasés par les roues en provoquant des empreintes. Mais il peut également s'agir de cailloux de plus gros calibre dont la projection est susceptible d'endommager des parties mécaniques des parties inférieures du train, voire même de porter atteinte à sa sécurité. Dans le domaine de la construction routière, le manque de stabilité des structures d'éléments pierreux est en général moins spectaculaire. Cependant, les conditions d'application des couches de surface en enrobés bitumineux nécessitent souvent de stabiliser le lit de cailloux, notamment dans le cas des chaussées à structure réservoir. Le but de l'invention est de trouver une solution permettant de remédier aux inconvénients des structures comportant des éléments pierreux de différentes tailles, de manière simple, peu coûteuse et rapide et, en même temps, de conserver les propriétés essentielles de la structure ballastée, telles que, par exemple sa capacité de répartir les charges, son aptitude au drainage et à l'évacuation rapide des eaux. Selon l'invention, la structure comprend un complexe de stabilisation constitué par un complexe rapporté comportant un liant et avantageusement des fibres, et permettant d'assurer le maintien en place des éléments de la structure. Les éléments minéraux de surface sont partiellement enrobés par le complexe rapporté, ce qui assure une liaison entre eux et leur immobilisation les uns par rapport aux autres, sans altérer leur capacité de drainage et de percolation. On forme ainsi une sorte de filet de recouvrement des éléments pierreux de la structure. Ce filet de recouvrement permet de créer des liens entre différents éléments de la structure, sans constituer pour autant une nappe, ou chape, continue et ainsi également de maintenir inchangée la capacité de la structure à répartir les charges, sans altérer sa capacité de drainage et d'évacuation rapide des eaux, et de percolation. La présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles. Cette description est donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la Figure 1 est une vue en plan d'une portion de surface supérieure d'un ballast de voie ferrée montrant des moyens de stabilisation selon l'invention; - la Figure 2 est une vue en coupe d'une couche supérieure du ballast selon la ligne II-II de la Figure 1; - la Figure 3 est une vue en coupe d'une structure stabilisée par une variante de moyens de stabilisation selon l'invention; - la Figure 4 est une vue en coupe d'une structure stabilisée par une autre variante de moyens de stabilisation selon l'invention ; et - la Figure 5 est une vue en coupe d'une chaussée à structure réservoir incorporant des moyens de stabilisation selon l'invention. On se réfère d'abord aux Figures 1 à 4. De manière connue en soi et non représentée, les voies pour chemins de fer sont formées de rails fixés sur des traverses, elles mêmes immobilisées sur un ballast 1 composé d'éléments pierreux, tels que des cailloux 2, issus du concassage de roches magmatiques ou métamorphiques, et disposés entre les rails et de part et d'autre de ceux-ci. L'étalement en vrac des cailloux 2 au moment de leur mise en place et leurs formes quelconques ont pour effet naturel de créer entre eux des interstices a, b, c, d... Ces interstices ont une fonction de drain. Selon un premier mode de réalisation de l'invention (représenté aux Figures 1 et 2), le ballast 1 comporte un complexe de stabilisation 3 constitué par un revêtement rapporté qui forme une sorte de filet de recouvrement desdits cailloux 2 des couches supérieures, sans altérer leur capacité de drainage et de percolation. Ce filet de recouvrement assure une liaison entre les cailloux et, conséquemment, leur immobilisation les uns par rapport aux autres. Le complexe de stabilisation 3 du ballast 1 est constitué par un liant 4 auquel sont intégrées des fibres 5. Le liant 4 peut être une émulsion de bitume pur ou modifié ou un liant anhydre. Selon une autre caractéristique de l'invention, les fibres 5 intégrées au liant 4 pour constituer le complexe de stabilisation 3 destiné à être rapporté au ballast 1, sont filiformes et de longueur e au moins égale à la distance séparant deux cailloux successifs 2, pour constituer entre eux un lien. L'ensemble de ces liens, obtenus à partir de moyens de stabilisation comprenant des fibres 51 appelées ci-après fibres longues et du liant 4, est disposé de manière aléatoire et selon un dosage permettant de réaliser un maillage de forme quelconque apte à solidariser les cailloux de surface 2 entre eux, tout en autorisant le drainage des eaux de pluie au travers de la couche supérieure des cailloux 2, puis de leurs couches inférieures. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention (représenté à la Figure 3), le ballast 1 comporte un complexe de stabilisation 31 qui est constitué par un liant 4 auquel sont intégrées des fibres 52 appelées ci-après fibres courtes . La longueur m des fibres courtes 52 et le dosage de ces fibres lors de leur application sont choisis de manière à obtenir un bouchage aléatoire d'une partie des interstices entre les cailloux. Dans les interstices ainsi bouchés, le liant est retenu lors de son application et forme un maillage de forme quelconque d'une manière similaire au premier mode de réalisation. Alors que les fibres longues 51 peuvent avoir une longueur e allant de 10 mm à 200 mm, les fibres courtes 52 ont une longueur m inférieure à 1 mm et sont notamment des fibres micronisées. Les longueurs préférées des fibres longues 51 sont 25, 50, 90 et 130 mm, la longueur particulièrement avantageuse étant située entre 25 et 60 mm. Grâce à l'invention, le cycle de vie du ballast sans entretien peut aller jusqu'à trois, voire cinq ans, alors qu'avec les ballasts traditionnels, ce cycle de vie ne dépasse pas un an dans les conditions d'utilisation les plus sévères, par exemple celles des lignes à grande vitesse. De plus, le revêtement de stabilisation a la faculté d'être facilement détruit lors des opérations de bourrage manuel ou mécanique du ballast, ce qui conserve au ballast son caractère de matériau recyclable. Le revêtement de stabilisation permet également de conserver un comportement de couche ballastée capable de supporter les vibrations au passage des circulations des trains. II reste suffisamment souple pour suivre les déformations du support et accepter un affaissement de faible amplitude. De plus, il conserve les caractéristiques d'isolement électrique de la voie. Également, il n'est pas toxique et répond aux exigences d'hygiène et de santé du personnel. Les différents essais réalisés ont montré qu'il est possible de mettre en oeuvre une grande variété de fibres textiles pour usage technique, telles que verre, polypropylène, polyamide, ou des composites renforcés, tels que des fibres de verre associées à des fibres naturelles, telles que lin, chanvre, etc... A titre d'exemple, de très bons résultats ont été obtenus avec des fibres de verre commercialisées par la Société Saint-Gobain sous la marque ISOVER. En ce qui concerne le liant, I'utilisation d'une émulsion de bitume connu sous la dénomination SACERCID, référence 65, a montré de très bonnes capacités d'association avec les fibres précitées. En termes de résistance mécanique et de perméabilité, le complexe de stabilisation 3 du ballast 1 comprend, à titre d'exemple, une émulsion de bitume pur ou modifié dont le dosage est compris entre 1500 et 1800 g/m2 ou un liant anhydre dont le dosage est compris entre 800 et 1200 gtm2, et à laquelle émulsion ou auquel liant anhydre, sont intégrées des fibres longues 51 dont le dosage est compris entre 50 et 600 g/m2. Des exemples de dosage du liant avec fibres sont donnés plus loin. Dans le mode de réalisation de l'invention mettant en oeuvre un liant sans fibres, on utilise un liant hydrocarboné (à base de bitume) modifié ou non par des additifs appropriés (par exemple: polymères de type SBS), de façon à ce que l'intervalle de plasticité soit suffisamment grand pour éviter la fragilité à basse température et la perte de consistance à température élevée (point Bille Anneau > 50"C). Ce type de liant, obtenu par exemple par adjonction ou non de 1,5 à 3 % de polymère SBS dans un bitume de pénétration donnée a une viscosité fonction de la température au moment du répandage. Des expérimentations en vraie grandeur ont montré qu'une viscosité obtenue en répandant le liant défini ci-dessus à une température comprise entre 40"C et 90"C permettait le collage du ballast par point en surface et la pénétration sur une épaisseur de 1 à 3 cailloux de ballast. La température descend en un temps compris entre 0 s et 600 s à une valeur A température ambiante (200 C), la contrainte de traction requise pour séparer deux cailloux du ballast ainsi collés, est comprise entre 50 g/cm2 et 2000 g/cm2 à 30 minutes, ce qui est largement suffisant pour ne pas gêner les opérations de bourrage. II a aussi été constaté grâce aux essais que l'émulsion de bitume offrait des résultats particulièrement bons lorsqu'elle avait une viscosité comprise entre 0,5 et 15 Engler. L'invention a également pour objet un procédé mettant en oeuvre un complexe de stabilisation pour obtenir une structure telle qu'elle vient d'être décrite. Ce procédé comprend une étape consistant à former une sorte de filet de recouvrement des éléments minéraux des couches supérieures de la structure à stabiliser. Pour former ce filet, on épand un film d'un liant bitumineux et, en général, des fibres. Le liant s'écoulant partiellement par les interstices entre les éléments de la structure, il en résulte une répartition aléatoire de plots de liants qui assurent les liens entre les éléments, selon le cas avec des fibres longues ou des fibres courtes. Lorsqu'on utilise un complexe de stabilisation contenant des fibres, le procédé peut être mis en oeuvre selon différentes variantes, par exemple comme suit: - l'épandage du film de liant est effectué avant l'épandage des fibres, - l'épandage du film de liant est effectué après l'épandage des fibres, - l'épandage du liant et l'épandage des fibres sont effectués simultanément, de manière que le liant soit mélangé avec les fibres; le mélange peut être fait juste avant l'introduction du liant et des fibres dans un applicateur d'épandage. Ainsi, à titre d'exemple sur la base de ces variantes, le procédé peut consister soit: - a épandre un film d'une émulsion de bitume pur ou modifié dosée entre 1500 et 1800 g/m2 et à le recouvrir ensuite par des fibres dosées entre 50 et 600 g/m2; - à épandre un lit de fibres dosées entre 50 et 600 g/m2 et à le recouvrir ensuite par un film d'une émulsion de bitume pur ou modifié dosée entre 1500 et 1800 g/m2; - à épandre d'abord une première couche de fibres dosées entre 50 et 600 g/m2, à la recouvrir d'un film d'un liant anhydre dosé entre 800 et 1200 g/m2, et à épandre une deuxième couche de fibres. Selon un premier exemple de mise en oeuvre du procédé, des fibres de grande longueur 51 sont coupées in situ par l'intermédiaire d'un coupeur de fibres de type chopper constitué d'un cylindre tournant muni de lames hâcheuses périphériques, alimenté par une trémie de chargement, un tel coupeur étant associé à un épandeur de bitume 4 disposé en amont ou en aval dudit coupeur, sur un même train roulant. Selon un second exemple de mise en oeuvre du procédé, des fibres prédécoupées sont amenées sur le chantier pour être mises en oeuvre antérieurement ou postérieurement à l'épandage du bitume 4, par projection avec un pistolet actionné manuellement ou mécaniquement. La structure stabilisée selon l'invention peut être mise en oeuvre par le procédé décrit ci-avant dans les limites indiquées plus haut et en choisissant, par exemple, une mise en oeuvre avec les paramètres suivants: - épandage de fibres de verre à raison de 50 g/m2 de 130 mm de longueur et de 13 ptm de diamètre (fibres ISOVER ST GOBAIN) recouvertes par 1,5 kg/m2 d'émulsion à base de bitume 70/100 modifié par addition de styrène (SBS) - épandage de fibres de verre à raison de 143 g/m2 de 25 mm de longueur et de 13 am de diamètre (fibres ISOVER ST GOBAIN) recouvertes par 1,5 kg/m2 d'émulsion à base de bitume 70/100 modifié par addition de styrène (SBS) - épandage de fibres de verre à raison de 573 g/m2 de 25 mm de longueur et de 13 ptm de diamètre (fibres ISOVER ST GOBAIN) recouvertes par 1,5 kg/m2 d'émulsion à base de bitume 70/100 modifié par addition de styrène (SBS) - épandage de fibres de verre à raison de 150 g/m2 de 130 mm de longueur et de 13 pLm de diamètre (fibres ISOVER ST GOBAIN) recouvertes par 1,8 kg/m2 d'émulsion à base de bitume 70/100 modifié par addition de styrène (SBS) En ce qui concerne les conditions de mise en oeuvre, le procédé peut être réalisé dans la plage de températures allant de + 5"C à + 40"C. Le traitement peut être effectué sur un ballast humide en utilisant un liant d'émulsion de bitume. L'efficacité du procédé est obtenue quelles que soient les conditions climatiques après mise en oeuvre dans un délai maximal de 24 heures. L'invention a été présentée comme concernant une structure stabilisée comportant des éléments minéraux, séparés individuels, comprenant un complexe de stabilisation constitué par un complexe rapporté qui recouvre partiellement les éléments minéraux de surface de cette structure et qui comprend un liant et des fibres. Cependant, le but de l'invention peut également être atteint par un complexe de stabilisation constitué par un liant seul ou, pour le moins, par un complexe de stabilisation rapporté ne comportant pas de fibres. Ce principe est représenté de manière schématique sur la Figure 4. Sur cette Figure, on voit que les éléments des couches supérieures de la structure à stabiliser sont collés I'un à l'autre par des plots de liant. Cette alternative de réalisation aboutit à des résultats proches de ceux du deuxième mode de réalisation de l'invention décrit plus haut dans lequel les fibres utilisées sont courtes et servent essentiellement à arrêter l'écoulement du liant lors de son épandage, avant que celui-ci se solidifie et forme les liens entre les éléments de la structure. Le fait de renoncer aux fibres implique un choix particulier de la viscosité du liant. Par ailleurs, ainsi qu'on l'a indiqué précédemment, la description illustrative détaillée est relative à la stabilisation d'une structure de type ballast de chemin de fer. II doit être bien entendu, cependant, que l'invention n'est pas limitée à une telle application et qu'elle peut être utilisée pour stabiliser n'importe quelle structure pierreuse comprenant des éléments pierreux. L'homme du métier peut, par des essais de routine et en utilisant les enseignements de la présente description, déterminer dans chaque cas, selon la nature et les dimensions de la structure à stabiliser, les caractéristiques correspondantes du liant et des fibres. Ainsi, dans une application routière, on cherche à stabiliser les éléments de la structure et l'on n'a pas besoin de prévenir le problème d'aspiration de petits éléments inhérente à l'application ferroviaire. Dans l'application routière, la réalisation d'une structure stabilisée sert à permettre la circulation des camions de chantier qui réalisent la couche de surface d'une route. La mise en oeuvre d'une structure stabilisée selon l'invention est particulièrement avantageuse, dans le domaine des applications routières, dans le cas des chaussées à structure réservoir. Une telle application est représentée sur la Figure 5. Une chaussée à structure réservoir comprend, outre le sol support 11 sur lequel elle est réalisée, une couche de forme 12, une couche de fondation 13, une couche de base 14 et une couche de surface 15. Le sol de support 11, la couche de forme, la couche de fondation et la couche de base sont séparées l'une de l'autre par des interfaces 16, 17 et 18 réalisées par un géotextile ou une géomembrane. Le complexe de stabilisation 3 est appliqué sur les couches supérieures d'éléments minéraux de la couche de base 14. La Figure 5 représente ce complexe selon le mode de réalisation représenté sur et décrit en référence à la Figure 3. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la structure stabilisée peut être mise en oeuvre dans le domaine de l'application routière en utilisant des microfibres de saupoudrage. Ces microfibres sont uniquement en matière organique et appliquées, soit avec des pistolets, soit avec une rampe. Leur principal effet consiste à éviter à tout objet ou véhicule entrant en contact avec le complexe de stabilisation fraîchement déposé, de coller Les signes de référence insérés après les caractéristiques techniques mentionnées dans les revendications, ont pour seul but de faciliter la compréhension de ces dernières, et n'en limitent aucunement la portée. REVENDICATIONS 1. Structure stabilisée comportant des éléments minéraux (2) séparés individuels, caractérisée en ce qu'elle comprend un complexe de stabilisation (3) constitué par un complexe rapporté, recouvrant partiellement les éléments minéraux (2) de surface, pour assurer une liaison entre eux et leur immobilisation les uns par rapport aux autres, sans altérer leur capacité de drainage et de percolation. 2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le complexe de stabilisation (3) comprend un liant (4) consistant en une émulsion de bitume pur, une émulsion de bitume modifié ou un liant an hydre. 3. Structure selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le complexe de stabilisation (3) comprend des fibres (5, 51, 52). 4. Structure selon la revendication 3, caractérisée en ce que les fibres (51) ont une longueur (e) au moins égale à la distance séparant deux éléments minéraux (2) successifs et sont réparties de manière aléatoire. 5. Structure selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que le complexe de stabilisation (3) est constitué par une émulsion de bitume pur ou modifié (4) dont le dosage est compris entre 1500 et 1800 g/m2, le dosage des fibres (5) étant compris entre 50 et 600 g/m2. 6. Structure selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que le complexe de stabilisation (3) est constitué par un liant anhydre (4) dont le dosage est compris entre 800 et 1200 g/m2, le dosage des fibres (5) étant compris entre 50 et 600 g/m2. 7. Structure selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisée en ce que les fibres (51) ont une longueur (e) comprise entre 10 et 200 mm. 8. Structure selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisée en ce que le liant (4) a une viscosité comprise entre 0,5 et 15 Engler. 9. Procédé pour obtenir une structure selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à former un filet de recouvrement des éléments minéraux des couches supérieures de ladite structure. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on utilise un complexe de stabilisation contenant des fibres et en ce qu'il comprend une étape consistant à épandre un film de liant (4) avant l'épandage de fibres. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on utilise un complexe de stabilisation contenant des fibres et en ce qu'il comprend une étape consistant à épandre un film de liant (4) après l'épandage de fibres. 12. Procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que le liant (4) est dosé entre 1500 et 1800 g/m2 pour une émulsion de bitume et entre 800 et 1200 g/m2 pour un liant anhydre, et en ce que les fibres (5) sont dosées entre 50 et 600 g/m2. 13. Procédé selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que les fibres (5) sont coupées in situ par l'intermédiaire d'un coupeur de fibres de type chopper , alimenté par une trémie de chargement, un tel coupeur étant associé à un épandeur de liant (4) disposé en amont ou en aval dudit coupeur, sur un même train roulant. 14. Procédé selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que les fibres (5) sont coupées hors site et amenées sur le chantier pour être épandues par projection par l'intermédiaire d'un pistolet actionné manuellement ou mécaniquement.