Brevet FR3056582A1 — publié le 20180330

La présente invention concerne la réalisation d'un matériau compressible durable sous forme d'un assemblage de sphères creuses en céramique, permettant d'absorber de grandes déformations sous faibles contraintes, utilisable pour le soutènement des tunnels ou des ouvrages souterrains. Le terme matériau compressible durable sous - entend l'utilisation de matériaux inaltérables dans le temps, réalisés à partir d'argile cuite permettant d'obtenir des céramiques. L'utilisation de ces matériaux à forte déformabilité prévue dans les ouvrages souterrains peut aussi s'appliquer aux autres structures devant absorber de grandes déformations sous faibles contraintes. Divers procédés ont été élaborés pour absorber les fortes convergences des ouvrages souterrains à grandes profondeurs. On connait des procédés d'incorporation des billes ou particules de polystyrène dans le béton des ouvrages de soutènement. Ce procédé est applicable pour des faibles déformations n'excédant pas quelques % et présente l'inconvénient que le polystyrène n'est pas un matériau durable. D'autres procédés sont basés sur des ressorts. La déformation est fonction de la raideur des ressorts. Ces procédés souffrent du problème de mise en place dans les structures de soutènements. Certains matériaux sont basés sur des coques tubulaires en céramique assemblées par une barbotine de ciment. Cependant cet assemblage par coulis de ciment à l'aide d'un malaxeur est trop facilement perturbé par un remplissage des vides annulaires des coques par le ciment ce qui limite la déformation. Par ailleurs, la forte anisotropie des résistances mécaniques supérieures à 20 entre les compressions axiales et radiales des coques tubulaires, induit une anisotropie du comportement des éléments de soutènement à leurs fabrications par exemple les voussoirs d'un tunnel Il apparait donc que l'utilisation des procédés décrits ci-dessus permettant d'absorber de grandes déformations n'est pas effectuée de manière satisfaisante par les techniques selon l'art connu. L'invention permet de remédier à ces inconvénients. Le matériau selon l'invention, découle du fait que la déformation résulte d'un volume des vides à l'intérieur du matériau 30 ce qui le rend inaccessible au ciment d'assemblage. De plus, les sphères creuses présentent de par leurs formes une isotropie mécanique ce qui produit une bonne homogénéité mécanique des éléments de soutènement des ouvrages souterrains, en évitant les concentrations de contraintes. 3056582 -2- Le matériau de forme sphérique creuse en céramique est obtenu à partir des boules de polystyrène enrobées de poudre d'argile et ensuite cuites jusqu'à environ 1100 °C pour obtenir des céramiques. L'enrobage des boules de polystyrène est obtenu par bouletage à partir d'une poudre d'argile légèrement humidifiée dont l'épaisseur d'enrobage est 5 fonction du temps de bouletage. De préférence les boules de polystyrène enrobées d'argile sont séchées et suivies d'une première phase de cuisson lente jusqu'à 700°C. Cette première phase de chauffage permet l'élimination des boules de polystyrène qui contiennent 98% d'air en les faisant passer les 2% de solide d'une forme pâteuse à environ 300°C à une phase vapeur avec une 10 production principalement d'oxyde de carbone. Le flux de chaleur jusqu'à 700°C est régit par l'évacuation des vapeurs à travers la porosité de l'argile pour limiter la fissuration voir l'éclatement de l'argile. Cette première phase de chauffage est suivie d'une élévation de température jusqu'à environ de 1100°C pour obtenir une céramique sphérique creuse. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaitront à 15 la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif accompagnée des dessins annexés pour lesquels - La figure 1 représente une boule de polystyrène de diamètre comprise entre 10 mm et 20 mm (2) enrobée avec de l'argile (1). - Pour les petites séries, le bouletage est réalisé dans une machine à bouleté 20 schématisé sur la figure 2. La machine à bouleté est constituée d'un tambour (4) animé d'un mouvement de rotation dans lequel les boules de polystyrène (2) sont introduites sur un lit de poudre d'argile (3) humidifié sous forme d'un brouillard d'eau. - La figure 3 présente un deuxième processus de bouletage pour de grandes séries comprenant un tapis roulant (5) incliné sur lequel sont introduits en position haute les 25 boules de polystyrènes (2) sur le tapis recouvert d'un lit d'argile humidifié. Une alimentation de poudre d'argile (6) sur le tapis roulant est réalisée en partie basse par vis. En partie basse du tapis un exécutoire (7) permet par gravité la réception des boules de polystyrène enrobées d'argile. L'épaisseur d'enrobage est fonction de l'inclinaison du tapis roulant : plus l'inclinaison est faible plus l'épaisseur d'enrobage est importante. - Après séchage des billes de polystyrène enrobées d'argile, la vitesse de la montée en température jusqu'à 700°C sera établie à partir de différentes vitesses de chargement thermique en fonction de l'endommagement constaté sur les sphères d'argile. La figure 4 représente des graphes pour différentes vitesses de chargement thermique en fonction de 3056582 -3- l'endommagement, avec en ordonnées la vitesse de chargement thermique et en abscisses le nombre de fissures moyen obtenu sur une série de 10 sphères. - Le matériau selon l'invention est particulièrement destiné au soutènement des tunnels construit dans des roches possédant une forte convergence. La figure 5 illustre cette 5 application constituée : d'une coque de protection (8) pour permettre le transport et la manipulation des éléments du soutènement ; du matériau compressible (1-2) et du soutènement proprement dit (9) Ainsi le procédé de réalisation du matériau compressible comporte les étapes suivantes : - enrobage de billes de polystyrène par de l'argile, réalisé par bouletage, associé à 10 une humidification de la poudre d'argile par un brouillard d'eau ; - séchage des billes de polystyrène enrobées d'argile pour éliminer l'eau libre au sein de l'argile ; - première phase de chauffage jusqu'à 700°C pour l'élimination du polystyrène en faisant passer ses 2% de matière solide en phase vapeur et évacuation des 15 vapeurs à travers la porosité de la coque d'argile ; - deuxième phase de chauffage de 700°C à 1000°C pour obtenir des sphères creuses en céramique ; la vitesse de montée en température jusqu'à 700°C étant établie à partir d'essais pour permettre un transfert de la phase vapeur à travers la porosité de l'argile tout en limitant 20 l'endommagement des sphères d'argile. Le procédé de réalisation d'un matériau compressible est caractérisé par l'assemblage avec une barbotine de ciment d'un ensemble de sphères creuses en céramique pour former un élément de structure pour les soutènements. Le matériau compressible obtenu par le procédé, constitué de sphères creuses en céramique 25 est assemblées par barbotine de ciment. Le matériau compressible est utilisé pour le soutènement d'ouvrages souterrains. REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation du matériau compressible en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - enrobage de billes de polystyrène par de l'argile, réalisé par bouletage, associé à une humidification de la poudre d'argile par un brouillard d'eau ; - séchage des billes de polystyrène enrobées d'argile pour éliminer l'eau libre au sein de l'argile ; - première phase de chauffage jusqu'à 700°C pour l'élimination du polystyrène en faisant passer ses 2% de matière solide en phase vapeur et évacuation des vapeurs à travers la porosité de la coque d'argile ; - deuxième phase de chauffage de 700°C à 1000°C pour obtenir des sphères creuses en céramique ; la vitesse de montée en température jusqu'à 700°C étant établie à partir d'essais pour permettre un transfert de la phase vapeur à travers la porosité de l'argile tout en limitant l'endommagement des sphères d'argile. 2. Procédé de réalisation d'un matériau compressible selon la revendication 1 caractérisé par l'assemblage avec une barbotine de ciment d'un ensemble de sphères creuses en céramique pour former un élément de structure pour les soutènements. 3. Matériau compressible obtenu par le procédé selon la revendication 2, constitué de sphères creuses en céramique assemblées par barbotine de ciment. 4. Utilisation du matériau compressible selon la revendication 3 ou obtenu par le procédé des revendications 1 ou 2 pour le soutènement d'ouvrages souterrains.