Brevet FR2932820A1 — publié le 20091225

-1- NAPPE ET GRILLE DE RENFORT AVEC INTRODUCTION DE FIBRES MINERALES POUR LES OUVRAGES DE GENIE CIVIL DOMAINE TECHNIQUE 5 La présente invention concerne une nappe de renfort de type géo-synthétique ou une grille pour des applications de génie civil. Cette nappe ou grille comporte au moins une série de brins de renforcement parallèles dans lesquels sont introduits des brins à base de fibres minérales ou produits dérivés. Cette nappe ou grille comporte 10 également en complément des fibres minérales et/ou des fibres d'origine végétale dans une démarche d'éco-conception. Parmi les applications de génie civil susceptibles de mettre en oeuvre l'objet de la présente invention, on peut citer les armatures de renforcement de sols, pentes et 15 remblais ainsi que les grilles de renforcement d'éléments de structures de type grilles bitume, grilles enduites, grilles avec résines et matrices, réalisées notamment dans le cadre de chantiers autoroutiers, de constructions ferroviaires, de murs de soutènements, appuis et tabliers de ponts, etc. 20 ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE Dans le domaine du génie civil, des nappes de renfort sont communément employées pour remplir les fonctions de renforcement ou confortement d'un ouvrage, dans des éléments de structure soumis à sollicitation. 25 Elles peuvent être associées avec d'autres matériaux (non-tissé, tissé, espaceur, résines, matrices) ou, enduites (PVC, imprégnation bitumineuse ou autre) pour assurer plusieurs fonctions comme la séparation entre couches de sols, le drainage, la filtration, l'imperméabilisation ou la protection de tout ou partie de l'ouvrage. Il peut 30 aussi s'agir de nappes de soutènement éventuellement affleurante sur tout ou partie de leur surface et qui comporte une fonction de végétalisation et/ou d'anti-érosion. Ces nappes sont soumises aux règles de l'art et codes de la construction et doivent permettre d'assurer longévité et sécurité des ouvrages ainsi composés. 35 -2- En particulier, la qualité des nappes d'armature doit permettre de conserver un maximum de propriétés mécaniques lors d'épisodes agressifs sur l'ouvrage soit en cours de construction (béton frais, agression mécanique...), soit ultérieurement au cours de la vie de l'ouvrage (infiltration, milieu chimique environnant, effondrement géologique, surcharge anormale...). On relève notamment les cas de températures excessives, milieux chimiques particuliers, parfois incendie pour les nappes affleurantes. Les nappes à base de polymère présentent parfois des propriétés insuffisantes pour ces différents cas. On explique mieux les propriétés attendues de ces renforts en les scindant en deux phases: � en utilisation courante, sous un chargement adapté au comportement de l'ouvrage en service, il est souvent essentiel de limiter les déformations de l'ouvrage pour assurer son bon usage. Un matériau présentant une bonne résistance avec un faible niveau de déformation peut avantageusement assurer cette fonction. Les nappes de renfort à base de polymères courants (polyester, polypropylène ou polyéthylène) ne remplissent pas idéalement les conditions nécessaires en termes de déformation en raison d'une déformation initiale trop importante pour des efforts relativement faibles. � les capacités mécaniques de la nappe utilisée doivent aussi être suffisantes pour reprendre des charges plus importantes à l'échelle de l'ouvrage dans des cas d'usage limite (surcharge exceptionnelle, déformation géologique...).et ainsi éviter la rupture. Malgré un dimensionnement répondant à ces situations extrêmes, les produits réalisés en polymères classiques doivent en fait souvent être surdimensionnés en quantité de matière pour obtenir une déformation acceptable, suffisamment faible en usage normal. Les polymères courants à des coûts limités présentent un allongement trop important à faible contrainte. Au niveau du renforcement à la rupture, il existe aussi une technique géosynthétique, décrite par exemple dans le document FR 2 767 344, qui inclue plusieurs matériaux en fibres parallèles séparées, pour un même produit, avantageusement le PVA, qui possède un allongement à la rupture de 5% et au moins un autre matériau présentant un allongement à la rupture au moins égal à 12%. Cette technique permet d'assurer le renforcement de sols à risque d'effondrement (Fontis) par un effet � parachute � résultant de ce � multi-modules �. -3- A faible taux de déformation, l'ensemble des matières participe activement à la reprise de l'ouvrage. Lorsqu'une surcharge ou un désordre apparaît, il est absorbé par le matériau PVA jusqu'à 5% de déformation, puis au delà, c'est le deuxième matériau qui supporte la rupture et la signale par une déformation significative mais sans rupture, et par exemple, par une ornière sur une route, matérialisant l'effondrement local, conduisant à sa réparation. Les fibres minérales (verre, basalte...) ne sont jusqu'à ce jour pas utilisées dans ces applications pour trois raisons: ^ allongement insuffisant à la rupture pour assurer la fonction parachute, comme indiqué dans le document précité ; ^ complexité de la fabrication des grilles comportant à la fois des fibres minérales et des polymères avec des problèmes de cassure des brins minéraux par frottement et cisaillement dans un circuit prévu pour des polymères ; ^ fragilité dans la mise en oeuvre sur chantier où il faut employer un système assurant la protection des fibres de verre dans les sols agressifs sur le plan mécanique pour la fibre. La fabrication de la nappe ou de la grille ne peut donc être réalisée que par une technique adaptée, et des solutions spécifiques doivent être appliquées pour la mise en 20 oeuvre. EXPOSE DE L'INVENTION La présente invention concerne une nappe ou grille de renfort, comportant au moins une série de brins de renforcement parallèles entre eux (éventuellement deux séries 25 ou plus en cas de multiaxial) parmi lesquels une partie des brins est à base de fibres minérales ou produits dérivés (verre, basalte, complexe fibre de verre + matériau thermoplastique d'imprégnation (tel que commercialisé sous la marque déposée Twintex�) ...), et l'autre partie est à base de fibres polymères et/ou de fibres naturelles. 30 En d'autres termes, l'invention consiste à associer dans une nappe ou une grille les fils ou câblés qui la constituent et s'étendant selon une même direction, des fibres minérales à faible allongement (module d'élongation sous tension élevé) et avec une valeur d'allongement de rupture compris entre 2 et 5%, et des fibres de type 35 polymères et/ou des fibres d'origine naturelle ayant un module d'élongation sous tension inférieur à celui des fibres minérales et une valeur d'allongement de rupture significativement supérieure à celui desdites fibres minérales, et comprise entre 10 et 20%. -4- La répartition des brins peut être homogène (chaque fil ou câble est composé d'une seule matière à la fois) ou hétérogène. Dans ce dernier cas, chaque fil ou câble est composé de deux matières associées selon l'un des procédés suivants : brins de fibres minérales et de fibres polymères ou naturelles mis en parallèles, ou twistés ou encore associés thermiquement en jouant sur les propriétés thermoplastiques des fibres mises en oeuvre. Cette composition permet d'assurer un renforcement mécanique performant répondant aux règles de l'art, à la sécurité et à la longévité requises dans le domaine 10 du génie civil. On obtient ainsi grâce aux fibres minérales, une déformation très faible, de l'ordre de 2 à 3% pour des contraintes relativement élevées, alors qu'à force de rupture équivalente, un polymère organique ordinaire atteint une déformation deux ou quatre 15 fois supérieure (5 à 7% de déformation) dans les mêmes conditions. Ce résultat est combiné aux polymères conférant une très grande résistance selon le cahier des charges aux états limites normalisés par la profession, avec un niveau de déformation d'au moins 10% par le principe du multi-module mis en oeuvre par l'invention. 20 Selon l'invention, les fibres minérales peuvent être réalisées en un matériau choisi dans le groupe comprenant le basalte, et différentes fibres de verre au propriétés choisies comme par exemple, le verre E, le verre S (thermiquement plus résistant), le verre R (haut module) et le verre AR (alcali résistant) 25 Selon l'invention, les fibres de type polymères peuvent être réalisées en un matériau choisi dans le groupe comprenant le polyester, le polypropylène et le polyéthylène. Toujours selon l'invention, les fibres d'origine naturelle peuvent être réalisées en un matériau choisi dans le groupe comprenant le chanvre, le lin et le coco. 30 Pour assurer longévité et qualité optimum pour une très faible déformation en usage courant, l'utilisation d'une fibre minérale, avantageusement la fibre de verre, permet de par sa forte résistance sous faible déformation de reprendre une partie des contraintes mécaniques concernant l'ouvrage ou l'élément de structure, afin de limiter 35 ses déformations et assurer sa stabilité. Cette fibre présente un net avantage sur ce point par rapport aux fibres polymères classiques du groupe polyesters, polyéthylène, polypropylène, notamment avec la possibilité d'optimiser coût et quantité de matières. -5- Elle permet également de s'affranchir des fibres aramides, d'un coût très nettement plus élevé, la rendant incompatible pour un grand nombre d'applications, en raison du surcoût engendré. Les fibres minérales (verre, basalte...) présentent de nombreux avantages : � résistance mécanique très élevée avec une faible déformation. La résistance d'un verre standard présente une déformation à la rupture de l'ordre de 3% ; � coût très inférieur aux fibres à faible allongement de type aramide ; � disponibilité de matière moins problématique ; � conception respectueuse de l'environnement. Par comparaison aux matériaux, grilles et géosynthétiques ayant des propriétés mécaniques équivalentes, tels que les produits à base de fibres d'aramide, fibres de carbone, etc. la nappe ou grille de renfort réalisée selon l'invention comportant à la fois des fibres minérales et des fibres polymères organiques et/ou des fibres naturelles (chanvre, coco, lin) présente un très net avantage économique du fait du coût à l'achat et la mise en oeuvre de ce type de matières. Dans certains cas de sols agressifs mécaniquement, il peut être nécessaire d'utiliser 20 une variante agencée de telle manière qu'elle permet la protection des fibres minérales vis à vis des attaques mécaniques extérieures qui pourraient les briser. Dans ces groupes de brins, on a la possibilité d'utiliser une fibre de matière minérale simple, enduite, traitée ou protégée, notamment par un polymère thermoplastique, 25 sous la forme d'une gaine ou résultant d'une imprégnation. Les fibres minérales, de verre, de basalte et produits dérivés possèdent des comportements avantageux, notamment en termes de tenue thermique et d'inertie vis à vis des réactions chimiques. Les fibres traitées, enduites ou protégées peuvent être utilisées pour améliorer encore les performances, par exemple du verre haute résistance en température, du verre 30 alcali résistant, des fibres de basalte, et notamment la technique des multifilaments mêlant du verre et un thermoplastique, et tels que commercialisés sous la marque déposée Twintex�. Cette dernière technologie permet d'assurer la protection du verre et sa durabilité. Un système de chauffe par fours radiants ou autre est alors intégré en sortie ou au coeur du métier sur l'alimentation de fils de chaîne et/ou de trame du 35 métier à tisser ou métier Rachel pour réaliser l'imprégnation des fibres minérales de renfort par le produit thermoplastique. -6- Toutes ces matières avec une adaptation spécifique peuvent convenir aux applications génie civil réclamant des longues durées de vie et les situations particulières telles que la stabilité lors d'un incendie, les sols traités, les granulats potentiellement coupants pour les matières minérales, la présence de béton frais avec un pH élevé, etc. Selon une variante de l'invention, des fibres cellulosiques et/ou de fibres reliéfées ou des boucles sont insérées dans la nappe ou la grille, afin de lui conférer une fonction de végétalisation et/ou anti-érosion. 10 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent, ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif et non limitatif à l'appui des figures annexées. 15 La figure 1 est une courbe représentative de la déformation d'une nappe, respectivement réalisée en verre (courbe de gauche) et en polyester (courbe de droite en fonction de la charge appliquée. La figure 2 est une courbe représentative de la déformation d'une nappe réalisée conformément à l'invention en fonction de la charge appliquée. 20 La figure 3 est une courbe représentative de la déformation d'une nappe réalisée en polyester seul en fonction de la charge appliquée. La figure 4 illustre schématiquement une grille vue du dessus conformément à un premier mode de réalisation de l'invention, dont la figure 5 est une vue en section. La figure 6 est une vue analogue à la figure 5, d'un autre mode de réalisation de 25 l'invention. MODE DE REALISATION DE L'INVENTION On constate sur la figure 1 que pour un effort équivalent, la déformation d'une nappe 30 réalisée en verre est significativement inférieure à celle d'une nappe réalisée en polyester. Ainsi, pour une charge ou un effort de 80 KN, la déformation du verre est de l'ordre de 2% alors que celle du polyester est déjà de 6%. La figure 2 illustre le comportement d'une nappe réalisée selon l'invention avec 35 utilisation simultanée des deux types de fibres, respectivement en polyester et en verre. En début de soumission aux efforts, c'est-à-dire en usage normal, c'est le verre qui assure la résistance avec une très faible déformation. Si ces efforts deviennent plus élevés, la rupture du verre se produit en raison justement de sa faible déformation,5 -7- ladite rupture étant matérialisée sur la courbe par le premier point d'inflexion, mais le polyester prend alors le relais, matérialisé sur la courbe par le deuxième point d'inflexion. La courbe représentée sur la figure 3 montre qu'il serait possible d'obtenir ce comportement avec du polyester seul, mais avec un poids de polyester beaucoup plus important, dont la résistance à la rupture serait largement supérieure à 450 KN (courbe du haut) alors qu'une résistance totale de 145 KN était nécessaire dans cet exemple. (courbe du bas). On comprend que le coût de la solution selon l'invention est très intéressant puisqu'il évite d'utiliser environ trois fois plus de matière. Ce surplus est remplacé par une fibre minérale à très faible coût La figure 4 illustre la réalisation et la disposition de câblé des deux matières (41) (fibres de verre ou de basalte) et (42) (fibres de polyester haute ténacité), qui sont ici juxtaposée sur une nappe (43) en non tissé ou tissé ou composée de plusieurs couches, et/ou sur des fils de trames (45), par exemple réalisée en polyester. Les techniques d'association des câblés ou fibres sur une nappe ou/et sur des fils de trames par machine de tissage ou métier Rachel trameur sont largement connues, de sorte qu'il n'y a pas lieu de les décrire ici plus en détail. On a simplement matérialisé par la référence (44), les fils de liage des fibres minérales (41) et des fibres polymères (42) sur la nappe (43) et les fils de trame (45). La figure 5 est une représentation schématique en section de la figure 4, et qui permet de mieux distinguer cette structure. La figure 6 illustre la possibilité d'associer les deux matières dans les mêmes câblés. Les fibres, respectivement minérales (61) et polymères ou naturelles (62) sont associées, par exemple par twistage ou retordage, et sont éventuellement enrobées d'une protection thermoplastique par exemple, après passage à la chaleur, et ce, soit avant assemblage (fibres minérales gainées de matière thermoplastique, et par exemple de polyester), soit après assemblage (technologie OWENS CORNING pour la réalisation des câblés de type Twintex�. Là encore, ces fibres sont associées à une nappe en non tissé (63) et/ou à des fils de trames (65), par exemple réalisée également en fibres composites de même nature que les fibres de chaîne. -8- Selon l'invention, la nappe ou grille multi-composants peut être réalisée sur les métiers à tisser habituellement utilisés pour la réalisation de nappes (tels que les métiers à tisser DORMIER ou SULZER), ou par la technologie chaîne et Rachel (métier de type Karl Mayer ou Liba par exemple) avec ou sans insertion de trames. Ces technologies permettent de travailler les fibres minérales, dont le verre ou le basalte, sans altérer la fibre, notamment sur le plan mécanique, et tout en réalisant des structures et maillages complexes incluant de multiples autres matières. Les métiers à tisser peuvent travailler selon les armures classiques de tissage ou selon 10 une armure type pas de gaze permettant un embuvage plus faible des fibres de renfort par utilisation de fils de liage fin. La technologie Rachel permet aussi la réalisation de produits multifonctions avec insertion de nappes de séparation, (non-tissé ou tissé ou composée de plusieurs 15 couches). L'introduction d'une telle nappe de séparation assure également une protection de la fibre minérale (verre ou basalte par exemple) dans sa mise en oeuvre et dans les épisodes éventuellement agressif de son usage (par exemple avec des remblais comportant des granulats avec des arrêtes saillantes). 20 En mettant en oeuvre ces technologies, les fibres minérales peuvent être insérées dans la machine alors qu'elles ont déjà été associées préalablement (association par retordage ou par procédé thermique par exemple sur le câblé qui comporte une partie thermoplastique assurant la soudure et la protection). Cet assemblage est éventuellement réalisé en ligne en amont avec le métier de réalisation de la grille. 25 Les fibres peuvent également être directement associées sur la machine en introduction en parallèle dans le même peigne, le même tube ou la même passette de la machine. Les câblés sont soit multi-matières dans chaque tube ou passette, soit mono matière dans chaque tube ou passette, mais les câblés sont suffisamment 30 proches (par exemple en Jauge 3 ou 6) pour que le comportement moyen de la nappe soit homogène même sur de très faibles largeurs de bande. REVENDICATIONS1. Nappe tissé ou grille géotextile, dont les fils, brins ou câblés parallèles dans une direction au moins, sont composés d'une part de fibres minérales à faible allongement (module d'élongation sous tension élevé) et avec une valeur d'allongement de rupture compris entre 2 et 5%, et d'autre part de fibres de type polymères et/ou de fibres d'origine naturelle ayant un module d'élongation sous tension inférieur à celui des fibres minérales et une valeur d'allongement de rupture significativement supérieure à celui desdites fibres minérales, et comprise entre 10 et 20%. 2. Nappe tissé ou grille géotextile selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fibres minérales sont réalisées en un matériau choisi dans le groupe comprenant le basalte, et différents types de verre aux propriétés choisies tel que le verre E, le verre S, le verre R et le verre AR. 3. Nappe tissé ou grille géotextile selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les fibres de type polymères sont réalisées en un matériau choisi dans le groupe comprenant le polyester, le polypropylène et le polyéthylène. 4. Nappe tissé ou grille géotextile selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les fibres d'origine naturelle sont réalisées en un matériau choisi dans le groupe comprenant le chanvre, le lin et le coco. 5. Nappe tissé ou grille géotextile selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle est monodirectionnelle, bidirectionnelle ou multidirectionnelle. 6. Nappe tissé ou grille géotextile selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée 30 en ce qu'elle réalisée sur une machine à tisser ou sur une machine de type Rachel avec ou sans insertion de nappe non-tissé (43, 63) ou tissé ou encore multicouche. 7. Nappe tissé ou grille géotextile selon l'une des revendications précédentes 35 caractérisée en ce que les fibres minérales comportent une protection constituée par une gaine ou imprégnation thermoplastique 2932820 -Io- 8. Nappe tissé ou grille géotextile selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les fibres, brins ou câblés sont de nature composite, et notamment associant des fibres minérales et polymères, assemblés préalablement par procédés mécanique (brins parallèles ou avec une torsion), thermique ou 5 chimique. 9. Nappe ou grille géotextile selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'avant ou après réalisation, les câblés subissent un traitement thermique, en ligne ou non, aux fins d'assurer une protection des fibres minérales par 10 imprégnation d'un matériau thermoplastique préalablement associé aux dits câblés ou à ladite nappe ou grille. 10. Nappe ou grille géotextile selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que des fibres cellulosiques et/ou de fibres reliéfées ou des 15 boucles sont insérées dans sa structure, afin de lui conférer une fonction de végétalisation et/ou anti-érosion.