Brevet FR3039175A1 — publié le 20170127

Matériau de construction composite renforcé La présente invention est relative aux matériaux de construction utilisés pour la formation de massifs de fondation, de remblais, de colonnes de renfort, ou de tout autre élément d'assise ou de renforcement dans un ouvrage de génie civil. Il est déjà connu d'incorporer des fibres de renforcement à un matériau pulvérulent ou granuleux, les fibres de renforcement pouvant être fournies sous différentes formes. Par exemple, les fibres peuvent être formées dans des nappes géotextiles mais cette technique donne un matériau résultant non isotrope et ne convient donc pas pour tous les usages. Selon un autre exemple, un ou plusieurs fils continus sont déposés en même temps que le matériau granuleux, mais cela implique de faire cette opération directement sur le lieu final de mise en oeuvre. Selon un troisième exemple, on peut incorporer des fibres de petite dimension longitudinale au matériau pulvérulent dans une étape de préparation préalable suivie d'une mise en oeuvre sur le site de chantier et compactage ; toutefois, l'effet de renforcement dû à la présence de ces fibres courtes s'avère insuffisant dans certaines applications. Il faut remarquer aussi que l'adjonction d'un liant hydraulique ou bitumineux conduit à un matériau résultant de type 'béton fibré' qui peut être insuffisamment perméable pour certaines applications de fondation/soutènement et d'autre part ses propriétés 30 mécaniques peuvent être encore améliorées. Par conséquent, il est apparu un besoin d'améliorer encore les solutions existantes pour former des matériaux compactés cohérents. 35 À cet effet, il est proposé ici une méthode pour former 3039175 2 un matériau composite compacté cohérent, la méthode comprenant : a- fournir un matériau granuleux, b- fournir des fibres de renforcement, sous forme de fibres 5 séparées ou sous forme de réseau de fibres, ou sous forme de fil continu à couper, c- fournir de la colle à prise à retard, c'est-à-dire à prise retardée, déposée sur les fibres de renforcement, e- verser un assemblage incluant les fibres enduites de 10 colle et le matériau granuleux dans une cavité ou sur le sol, f- compacter, g- laisser prendre la colle. Grâce à ces dispositions, pendant le compactage, la 15 colle n'étant pas encore prise, elle autorise le déplacement des particules de matériau granuleux et des fibres de renforcement, ce qui permet à l'ensemble d'être compacté facilement et former un matériau cohérent, la prise de la colle intervenant après ce compactage, pour 20 donner un matériau composite robuste et cohérent. Dans divers modes de réalisation de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : 25 - Avant l'étape e-, selon une réalisation, on procède a : d- mélanger les fibres enduites et le matériau granuleux, l'assemblage étant alors un assemblage mélangé. Ainsi on peut obtenir un matériau aux propriétés isotropes. - A l'étape c-, selon une réalisation, on dépose la colle 30 par pulvérisation sur un flux de fibres préalablement découpées ; moyennant quoi, on dispose d'une solution simple pour encoller les fibres. - A l'étape c-, selon une autre réalisation, on procède simultanément à la découpe d'un ou plusieurs fils continus 35 de fibres et à la projection de la colle par pulvérisation sur les fibres (juste découpées), devant un rideau de 3039175 3 sable, ce qui projette les fibres encollées sur le rideau de sable; ceci forme une façon avantageuse et simple d'obtenir l'assemblage du matériau composite ; - De plus, les fibres découpées ont de préférence des 5 longueurs comprises entre 5 cm et 30 cm ; il s'avère que cette gamme de longueur représente un bon compromis entre d'une part un mélange efficace et homogène et d'autre part un effet mécanique de résistance en traction dans le matériau final compacté et collé. 10 - Selon une autre réalisation, les fibres sont agencées en réseau par exemple dans une nappe géotextile ; ce qui est une solution performante et optimisée pour former une couche d'assise horizontale. - Dans ce cas, à l'étape c-, on peut adjoindre la colle par 15 trempage de la nappe géotextile dans un bain de colle. Ce qui forme un processus continu optimisé du point de vue industriel. - On peut choisir pour la colle à retard un composé à base de silicate à polymérisation longue ou une colle à 2 20 composants réactifs ensemble ; on obtient ainsi une bonne maîtrise du temps de prise ; La prise de la colle peut intervenir avec le temps ou alternativement, le déclenchement de la prise peut être aussi obtenu par contact de la colle avec un durcisseur à 25 réaction chimique ou encore par contact de la colle avec de l'eau apportée lors de l'opération de compactage ou par changement de température. - De préférence, le temps de prise de la colle à retard supérieur à 2 heures ; on dispose ainsi de grandes 30 possibilités de transport/mise en oeuvre après préparation, avant prise de la colle. - Selon une option, la colle peut être formée par un enrobage tubulaire (c'est-à-dire un gainage) préfabriqué sur les fils et protégée par une couche de protection par 35 exemple soluble dans l'eau. On obtient ainsi une répartition optimale de la colle par rapport aux fibres, et 3039175 4 une bonne maîtrise du moment de déclenchement de la prise de la colle par contact avec de l'eau. - Le volume des fibres peut être avantageusement inférieur 10% des vides entre grains une fois le matériau 5 compacté ; de sorte que la perméabilité est préservée par la présence de vides. - La proportion de fibres en poids peut être avantageusement inférieure à 1 % du poids de granulats ; l'approvisionnement de fibres est donc peu onéreuse. 10 R10- les fibres de renforcement peuvent être des fibres de polyester ou des fibres de verre ; ces matériaux sont bon marché et faciles à approvisionner ; - Selon une autre réalisation, les fils sous forme continue passent dans un bain de colle puis sont coupés ; moyennant 15 quoi on obtient une bonne solution de compromis pour un encollage de qualité et une découpe à longueur souhaitée. - Selon une autre réalisation, la colle peut être formée dans des microcapsules solubles et accrochées aux fils, de préférence dans l'eau et la polymérisation de la colle est 20 déclenchée par la présence aqueuse ; ceci forme une alternative à un encollage classique des fibres et permet une bonne maîtrise du moment de déclenchement de la prise de la colle. - avantageusement le matériau granuleux sera du sable ou 25 des graviers, voire du matériau sableux tout venant ; en vertu de l'invention, on peut utiliser tout matériau granulaire de disponibilité facile à proximité du chantier. L'invention vise aussi les matériaux compactés cohérents obtenus par le procédé décrit ci-dessus, ainsi 30 que les ouvrages de génie civil mettant en oeuvres ces matériaux. D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un de ses modes de réalisation, donné à titre d'exemple non 35 limitatif, notamment en regard des dessins joints : - la figure 1 représente une portion de matériau 3039175 5 composite compacté cohérent selon l'invention, dans une configuration à propriétés isotropes, - la figure 1A illustre plus en détails l'interface entre les fibres enduites de colle à prise retardé et les 5 grains, - la figure 2 représente une portion de matériau composite compacté cohérent selon l'invention, dans une configuration de couche d'assise, à plat, - la figure 2A illustre un exemple de nappe géotextile 10 utilisée dans la configuration de la figure 2, - la figure 3 illustre un exemple de procédé utilisé pour la préparation du matériau composite, - la figure 4 illustre un autre exemple de procédé utilisé pour la préparation du matériau composite, 15 - la figure 5 illustre un autre exemple de procédé utilisé pour la mise en oeuvre du matériau composite, - la figure 6 illustre un autre exemple d'utilisation du matériau composite, - la figure 7 illustre un autre exemple de procédé 20 utilisé pour la mise en oeuvre du matériau composite, Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. La figure 1 représente la structure du matériau 10 obtenu en vertu d'un premier exemple de réalisation de la 25 présente invention, tel qu'obtenu après finalisation. Ce matériau composite comprend tout d'abord un matériau granuleux 1 formé de graviers, cailloux, aussi appelés 'grains' ci-après. Par exemple, le matériau granuleux 1 peut être du sable grossier disponible à proximité du chantier. Alternativement, le matériau granuleux 1 peut être un matériau à granularité spécifique par exemple de calibre [0-35=], mais il peut aussi s'agir d'un matériau tout-venant comprenant des grains de différentes tailles et 35 formes. Bien sûr, le matériau granuleux 1 peut contenir du sable et des fines en plus des graviers et cailloux. 3039175 6 Entre les grains dont disposés des fibres 4, dites de fibres de renforcement. Plus précisément, chaque fibre se compose d'une fibre nue 2 revêtue d'une couche de colle 3 dont il sera question plus loin. 5 La fibre nue 2 peut être obtenue à partir de fils de verre, poylester, polyethylene,_ qui sont coupés. Par exemple, dans l'exemple illustré, les fibres sont coupées par broyage, avec de préférence des longueurs comprises entre 5 cm et 30 cm. 10 On peut aussi couper, à longueur souhaitée, à l'aide d'un outil de découpe adapté, un fil de fibre quasi continu, agencé sur une bobine et issu d'un procédé d'extrusion comme connu en soi (non représenté). Ainsi, selon l'application visée, on peut prévoir un 15 intervalle plus ou moins large pour la longueur des fibres de renforcement. Pour certaines applications, on peut prévoir une découpe à longueur, centrée sur une longueur prédéfinie comprise entre 50mm et 100mm. Concernant la dimension transversale des fibres, celle- 20 ci est petite au regard de la longueur axiale des fibres, avec une section de préférence circulaire, et un diamètre inférieur à 0,3mm, typiquement dans la fourchette 0,1mm à 0,2mm. Avantageusement, la colle 3 est une colle à retard, 25 autrement dit une colle à prise retardée, la prise de cette colle intervenant après le compactage de l'ensemble du matériau composite. Selon un exemple, la colle à retard peut être un silicate à polymérisation longue. 30 Selon un autre exemple, la colle à retard peut être une colle à 2 composants réactifs ensemble, c'est-à-dire un substrat de base résineux et un durcisseur, le processus de prise étant déclenché par le mélange de la résine et du durcisseur. Selon un exemple particulier, on peut choisir une colle époxy bi-composants de type SICOMINTm 8450/8451. 3039175 7 Comme visible sur la figure 1A, le collage est assuré par la colle durcie (on dit aussi 'réticulée') entre les fibres 2 et les grains (1a,lb). En revanche, généralement il n'y a pas de colle au contact grain la sur grain lb. Les 5 fibres présentant une certaine longueur, et du fait de leur collage sur la surface des grains, la fibre reprend les efforts de traction T, tendant à écarter un grain de l'autre, pour donner au matériau finalisé une bonne cohérence mécanique. 10 Sur la figure 2, selon un second mode de réalisation, les fibres sont disposées en réseau dans des nappes géotextiles 40. Cette configuration correspond par exemple à une couche d'assise pour une chaussée routière, ou pour 15 piste aéroportuaire, un soubassement de voie ferrée, ou encore à un ouvrage de remblai de type de terre armée. Dans cette configuration, on dépose une couche 91 de matériau granulaire (par exemple du gros sable), puis une nappe géotextile 40 sensiblement horizontale, puis une autre 20 couche 92 de matériau granulaire, puis une autre nappe géotextile 40, puis une autre couche 93 de matériau granulaire et ainsi de suite. Après compactage et prise de la colle, on obtient la structure illustrée, avec des propriétés mécaniques améliorées selon toutes les 25 directions horizontales. Sur la figure 3, on illustre le procédé d'obtention du matériau composite selon le premier mode de réalisation. Concernant les fibres de renforcement, elles sont fournies 30 en premier lieu sous forme de fils quasi continu 20 que l'on introduit dans un broyeur 61. Dans ce broyeur, les fibres sont cassées, et à la sortie on obtient des fibres d'une longueur comprise entre 5 cm et 30 cm. Les fibres ainsi obtenues sont déversées devant un système de 35 pulvérisation de colle qui comprend un dispositif de pulvérisation 62 de type pistolet à air comprimé, un 3039175 8 système de récupération de colle, avec un bac 64 et une pompe 63. Bien entendu, il pourrait y avoir deux dispositifs de pulvérisation de chaque côté, ou plus de deux. 5 Les fibres enduites 4 tombent sur un tapis roulant 65 qui amène du sable. Il en résulte en sortie de ce tapis roulant un assemblage 9 de fibres encollées et de sable. Dans le cas où le matériau granuleux de base 1 est simplement du sable, l'assemblage 9 est introduit dans un 10 malaxeur 68 pour réaliser et optimiser le mélange sans autre graviers ou cailloux ajoutés. On note que le sable n'est pas forcément calibré il peut y avoir des grains de dimensions très diverses dans le sable 1 en question. Ainsi, on peut choisir un sable quelconque disponible à 15 proximité du chantier. Selon une solution optionnelle illustrée en pointillés la figure 3, on peut en outre utiliser un matériau granuleux 1' complémentaire, de type gravier ou petits cailloux, disponible sur site, approvisionner dans une 20 trémie auxiliaire 66 dont la sortie forme un doseur et se déverse dans une seconde trémie 67 laquelle reçoit également l'assemblage 9 susmentionné de fibres encollées avec sable. Les ingrédients assemblés se déversent par gravité de 25 dans le malaxeur 68 dans lequel on forme un mélange homogène 8 de granulats/grains et de fibres encollées. Le matériau composite résultant 8 est prêt pour usage ultérieur, la colle étant encore à ce stade non durcie (non prise). 30 On note que si le matériau granuleux de base est simplement du sable 1, les trémies 66 et 67 sont absentes. S'agissant des fibres de renforcement 2, d'une façon générale, on peut choisir des fibres de verre, des fibres de polyester, des fibres époxy, des fibres de polyéthylène, 35 ou tout autre type de fibres synthétiques présentant une résistance à la traction satisfaisante. 3039175 9 Sur la figure 4, on illustre une variante du procédé d'obtention du matériau. Les fibres de renforcement sont fournies sous forme de fils quasi continu 20 approvisionné 5 une bobine 27 qui se dévide. Ici on utilise un fil de fibre de verre relativement facile à couper. Un système de découpe 88 coupe/casse le fil de fibre en morceaux de fibre 2 relativement courts par exemple d'une longueur comprise entre 5 cm et 30 cm. Le système de pulvérisation est 10 similaire ou identique à celui décrit précédemment, et pulvérise de la colle 3 sur les fibres découpées 2. De plus, on prévoit un rideau de sable 54 qui tombe en continu depuis un système supérieur 5 qui comprend une trémie 50 une fente de dosage 51 et un diffuseur 52. 15 Le système de pulvérisation pulvérise les fibres enduites de colle 4 vers le rideau de sable 54, ce qui forme d'ores et déjà un assemblage 9 de fibres encollées et de sable. Le système de découpe 88 et le système de pulvérisation 20 peuvent être combinés dans un pistolet multifonctions qui permet de réaliser simultanément dans un seul appareil une découpe des fibres et une projection de la résine sur les fibres vers le rideau de sable. Les ingrédients assemblés sont reçus dans une seconde 25 trémie 67 se déversent par gravité de dans le malaxeur 68 dans lequel on forme un mélange homogène 8 de granulats/grains et de fibres encollées. Ici le malaxeur est un malaxeur léger à rouleaux avec dents ou avec brosse. Comme précédemment, le matériau composite résultant 8 30 est prêt pour usage ultérieur, la colle étant encore à ce stade non durcie (non prise). Par exemple, tel qu'illustré à la figure 5, ce matériau composite 8 peut être déversé dans une cavité 18 qui a été 35 préalablement excavée. Dans l'exemple illustré, il s'agit de former une colonne de renfort d'un soubassement de 3039175 10 bâtiment, solution alternative à un pieu conventionnel. On procède successivement par niveau, c'est-à-dire une certaine quantité de matériau composite 8 est déversé dans la cavité, puis on procède à son compactage par vibrations 5 à l'aide d'un outil de compactage 49. Ensuite, on déverse à nouveau une quantité de matériau composite pour former la portion immédiatement supérieure, puis on la compacte par vibrations. Et ainsi de suite jusqu'à la hauteur maximale souhaitée pour la colonne de renfort. 10 On attend ensuite la prise complète de la colle. On remarque ici que la prise de la colle, suivant sa composition, peut être obtenue simplement par le temps qui s'écoule, ou peut être déclenché mécaniquement par écrasement ou encore chimiquement par la mise en contact du 15 durcisseur avec la résine de base suivant le compactage/écrasement. De même, bien entendu, la prise de la colle peut intervenir même en présence d'eau dans le matériau compacté. On remarque que dans cette configuration, le matériau 20 composite avec colle durcie présente des propriétés isotropes, tant en traction qu'en compression. A la figure 6, on illustre le procédé d'obtention selon le second mode de réalisation, pour former un ouvrage de 25 type de terre armée, ou une couche de forme (ou d'assise) pour une chaussée routière, une piste aéroportuaire, un soubassement de voie ferrée, etc_ comme déjà évoqué en relation avec la figure 2. On utilise un engin de chantier 71 qui progresse vers 30 la droite dans l'exemple illustré ; cet engin de chantier 71 porte un rouleau 74 de nappe géotextile brute 40a, un bain à colle 73 contenant de la colle 3 avec des caractéristiques comme susmentionnées et des rouleaux presseur 93. 35 On dépose tout d'abord une première couche de granulats 1, puis une première couche de nappe géotextile encollée 40 3039175 11 au-dessus. Cette nappe a été préalablement trempée dans le bain à colle 73 sur l'engin de chantier 71 qui progresse, le rouleau 74 de nappe géotextile brute 40a se dévidant vers le bain à colle au fur et à mesure de l'avancement F. 5 Après le dépôt de la couche géotextile 40 enduite, une deuxième couche 11 de granulats est déposée sur la nappe géotextile 40. Puis on réalise un compactage avec un engin compacteur 72. Suivant la hauteur et la structure désirée pour la 10 couche de forme à réaliser, on peut réitérer l'opération de déposer une autre nappe géotextile et une troisième couche de granulats, compacter le tout, et ainsi de suite. La nappe géotextile forme une structure en deux dimensions, de type continu formant une feuille. 15 Alternativement, comme illustré à la figure 2A, la nappe géotextile peut avoir une structure en forme de réseau à mailles, avec une pluralité de branches planes continues 41,42, incluant des fibres de renforcement longues (une seule fibre 2 est représentée sur la figure 2A). De 20 préférence, les branches 41,42 se croisent à l'orthogonale au lieu 43 de leurs intersections, le réseau maillé comprend aussi des portions évidées 44 qui favorisent l'ancrage de la nappe géotextile entre deux couches de granulats. 25 A la figure 7, on illustre une alternative du procédé utilisé pour la préparation des fibres encollées. Les fibres sont fournies sous forme d'une bobine 94 de fil qui se dévide, le fil 20 passant dans un bac à colle 74. À la 30 sortie du bac à colle, on obtient un fil enduit 20' qui passe dans des rouleaux de guidage 93. Un outil de découpe 88 adapté coupe le fil enduit de colle 20' selon une longueur prédéfinie pour donner des fibres coupées encollées 4 qui seront mélangées à un matériau granuleux 1 35 et mise en oeuvre comme décrit précédemment. 3039175 12 Selon une autre solution, on peut co-extruder le fil de fibre de verre avec une couche de gainage qui comprend la colle et éventuellement une couche de protection, dans ce cas, la colle réagit avec de l'eau pour le déclenchement de 5 la prise. D'une façon générale, on note que la proportion de fibres est inférieure à 1 % du poids de granulats et que le volume des fibres est inférieur à 10% des vides entre 10 grains une fois le matériau compacté. On note que le temps de prise de la colle peut dépendre de façon assez importante de la température ambiante. Ainsi, selon le lieu géographique du chantier, les conditions météorologiques en cours, et la saison (été/ 15 hiver), le choix de la colle à prise retardée peut être fait pour garantir que toutes les opérations de mise en oeuvre du matériau composite 8 seront terminées avant la réticulation effective de la colle. Généralement, on vise un temps minimum de 2h, mais en fonction des opérations 20 prévues sur le chantier, on peut choisir la colle pour avoir un temps minimum disponible avant la prise de 3h, 4h même ou plus, ou bien une configuration ou le début de prise est déclenché par l'opération de compactage. 25 REVENDICATIONS1. Méthode pour former un matériau composite compacté 5 cohérent (10), la méthode comprenant : a- fournir un matériau granuleux (1), b- fournir des fibres de renforcement (2), sous forme de fibres séparées ou sous forme de réseau de fibres ou sous forme de fil continu à couper, 10 c- fournir de la colle à retard (3), déposée sur les fibres de renforcement, e- verser un assemblage incluant les fibres enduites et le matériau granuleux dans une cavité ou sur le sol, f- compacter, 15 g- laisser prendre la colle. 2. Méthode selon la revendication 1 dans laquelle, avant l'étape e-, on procède à : d- mélanger les fibres enduites et le matériau granuleux, 20 l'assemblage étant alors un assemblage mélangé (8). 3. Méthode selon l'une des revendications 1 à 2, dans laquelle, à l'étape c-, on dépose la colle par pulvérisation sur un flux de fibres préalablement 25 découpées. 4. Méthode selon la revendication 3, dans laquelle, à l'étape c-, on procède simultanément à la découpe d'un ou plusieurs fils continus (20) de fibres et à la projection 30 de la colle (3) par pulvérisation sur les fibres juste découpées, devant un rideau de sable (54), ce qui projette les fibres encollées sur le rideau de sable. 5. Méthode selon la revendication 1, dans laquelle les 35 fibres sont agencées en réseau dans une nappe géotextile (40). 3039175 14 6. Méthode selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle la colle a retard est un composé à base de silicate à polymérisation longue ou une colle à 2 5 composants réactifs ensemble. 7. Méthode selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle le temps de prise de la colle à retard est supérieur à 2 heures. 8. Méthode selon l'une des revendications 1 à 2, dans laquelle la colle est formée par un enrobage tubulaire préfabriqué sur les fils et protégée par une couche de protection, de préférence par exemple soluble dans l'eau. 9. Méthode selon l'une des revendications 1 à 8, dans laquelle le volume des fibres est inférieur à 10% des vides entre grains une fois le matériau compacté. 20 10. Méthode selon l'une des revendications 1 à 9, dans laquelle la proportion de fibres est inférieure à 1 % du poids de granulats. 11. Méthode selon l'une des revendications 1 à 10, dans 25 laquelle les fibres de renforcement (2) sont des fibres de polyester ou des fibres de verre. 12. Matériau compacté cohérent, comprenant : - un matériau granuleux (1), 30 - des fils ou fibres de renforcement (2), - de la colle à retard (3), la prise de cette colle intervenant après le compactage de l'ensemble. 13. Matériau selon la revendication 12, dans lequel les 35 fibres présentent de préférence une longueur comprise entre 5 cm et 30 cm. 10 15 3039175 15 14. Matériau selon l'une des revendications 12 à 13, dans lequel le collage est assuré entre fibres (2) et grains (1), mais généralement pas au contact grain sur grain. 15. Massif de fondation ou colonne de renfort obtenu(s) par la méthode selon des revendications 1 à 11.