Procédé et dispositif de renforcement des sols par des additifs fibreux

Abstract

 L'invention concerne des techniques de renforcement des sols à l'aide d'additifs fibreux et plus particulièrement un procédé et un dispositif permettant d'introduire des quantités déterminées de fibres discrètes dans des sols ameublis à cet effet et de les mélanger uniformément.
On propose de répartir les additifs fibreux en une couche régulière (6) puis de les mélanger aux matériaux extraits du sol, pulvérisés puis réintroduits.
Les additifs fibreux sont principalement soit des faisceaux de fibres de renforcement, soit des nodules de fibres isolation (7).
Pour répartir les additifs fibreux on utilise de préférence des appareils destinés à distribuer des matériaux pulvérulents sur les routes notamment pour le traitement des routes gelées. Pour malaxer les matériaux extraits du sol, on utilise des pulvimixers, charrues, etc...

Description

[0001] L'invention concerne des techniques de renforcement des sols à l'aide d'additifs fibreux et plus particulièrement un procédé et un dispositif permettant d'introduire des quantités déterminées de fibres discrètes dans des sols ameublis à cet effet et de les mélanger uniformément.

[0002] Lorsqu'on doit procéder au traitement en profondeur d'un sol ou d'un terrain pour le rendre plus stable, pour l'assécher, pour le préparer à accepter la circulation de véhicules lourdement chargés ou pour qu'il soit apte à recevoir les couches superficielles d'une chaussée, on souhaite pouvoir utiliser presque exclusivement les matériaux constitutifs avec un apport minimum de sables ou de graviers d'une autre provenance. En revanche on accepte de traiter les sols avec une quantité réduite de liants et/ou de produits modificateurs des performances mécaniques comme des fibres.

[0003] L'invention se donne pour tâche de fournir une méthode et un dispositif simples pour introduire des additifs fibreux et les ajouter aux matériaux constitutifs d'un sol.

[0004] Dans le document EP-B-0 285 622, on propose de parsemer le sol avec des fibres coupées et de procéder au mélange de manières diverses. Les quantités de fibres introduites vont de 0,1 à 5 % en poids. Dans ce document on cherche à améliorer les sols en ce qui concerne les caractéristiques suivantes : résistance au cisaillement, angle total de frottement interne, cohésion totale moyenne et enfin module tangent initial moyen. Aucune méthode n'y est proposée pour répartir uniformément sur le sol les fibres coupées. Quant à l'opération finale de mélange les techniques en sont simplement évoquées.

[0005] L'invention se donne pour tâche de fournir une méthode complète avec tous les éléments permettant une mise en oeuvre dont les résultats soient assurés, en particulier la stabilité du taux d'additifs fibreux, ce qui permet d'en garder le niveau bas avec une bonne efficacité.

[0006] Dans la demande de brevet W0 94/28248, on décrit une technique pour incorporer dans un sol existant des faisceaux de fibres de verre coupés à partir des mèches de fils, immédiatement avant leur dépôt sur le sol. Cette technique utilise un dispositif qui comporte une machine de coupe de fils continus installée sur un engin mobile et un système de répartition des fils coupés, transversalement par rapport au déplacement de l'engin ainsi qu'un engin de chantier du type fraise, son déplacement et celui de la machine de coupe étant liés ou non.

[0007] L'avantage de couper les mèches de fils de verre textile directement, juste avant la distribution est de garantir une proportion précise de faisceaux de filaments dans le mélange granuleux. Les machines à couper les mèches comme celles du document EP-B-0 040 145 les entraînent en effet à une vitesse définie (la vitesse tangentielle des rouleaux) et la quantité de faisceaux introduite pendant un temps donné étant de ce fait toujours la même, il suffit que la vitesse de déplacement de la machine par rapport au sol ou que le débit des granulés soient constants - comme c'est le cas en général - pour que le pourcentage de faisceaux de filaments reste stable. Il est également possible d'asservir la vitesse de rotation des rouleaux de la machine de coupe soit à la vitesse de déplacement, soit si elle est immobile, au débit du convoyeur de manière là aussi à garantir la stabilité du pourcentage de faisceaux.

[0008] La présente invention cherche quant à elle à permettre également l'utilisation de fils coupés et stockés qu'il s'agit donc d'extraire régulièrement du stock et de distribuer uniformément.

[0009] On connaît également grâce au document FR-A-2 699 945 une technique de distribution d'additifs fibreux sur une route dans laquelle un caisson renfermant un certain volume de fibres déjà coupées est installé à l'arrière d'un camion dont la benne contient des graviers. Le caisson contenant les fibres se termine par une goulotte qui amène les fibres pour qu'elles se mélangent au flux de gravillons à la sortie du caisson, à l'entrée de la goulotte est prévu un rouleau rotatif destiné à permettre l'écoulement régulier des fibres coupées.

[0010] Outre que le système précédent mélange systématiquement les fibres et des gravillons ce qui n'est pas toujours souhaité, s'il s'agissait de distribuer avec ce type de machine, des additifs fibreux sur toute la largeur d'une chaussée, il faudrait une installation et particulièrement un rouleau d'une longueur prohibitive.

[0011] L'invention se propose de fournir un procédé et un dispositif qui permettent de distribuer et de mélanger des additifs fibreux ajoutés aux matériaux d'un sol et qui n'aient pas les inconvénients des systèmes précédents.

[0012] L'invention propose un procédé de renforcement des matériaux déjà en place d'un sol par l'apport notamment d'additifs fibreux comportant les étapes suivantes :

• dégagement de la surface pour rendre accessibles les matériaux à renforcer, s'ils ne l'étaient pas,
• si nécessaire, fragmentation desdits matériaux,
• dépôt d'une couche régulière d'additifs fibreux préalablement coupés,
• malaxage des matériaux à renforcer et des additifs fibreux jusqu'à une proportion pondérale de 0,01 % à 5 %.

[0013] De préférence, le procédé utilise des additifs fibreux qui sont des fibres de verre de renforcement sous forme de faisceaux coupées à une longueur de 3 à 500 mm. Avantageusement, la coupe des faisceaux de fibres a été effectuée à l'endroit où elles sont produites, immédiatement après leur constitution, avant toute opération d'enroulement.

[0014] Avec ces matériaux, la distribution des additifs fibreux s'effectue sans difficulté, ce qui n'est pas le cas lorsque la coupe est faite à partir de fils associés en mèches (roving) et enroulés.

[0015] Dans une variante du procédé de l'invention, les additifs fibreux sont des fibres de verre ou de roche obtenues par centrifugation et conditionnées sous forme de nodules par passage au travers d'une plaque à trous. Cette préparation des fibres isolation rend leur mise en oeuvre selon le procédé de l'invention, aisée.

[0016] L'invention concerne également une technique de dépôt d'une couche régulière d'additifs fibreux sur le sol, dans laquelle on utilise des appareils destinés à distribuer des matériaux pulvérulents sur les routes, notamment ceux adaptés au traitement des routes gelées par des poudres diverses telles que des sels antigels ou des poudres antidérapantes.

[0017] Dans une variante du procédé de distribution des fibres, les faisceaux de fibres sont associés en formant un mat, et c'est ce mat qui est déchiqueté et ses fragments déposés sur le sol ou dans les matériaux du sol.

[0018] Avec cette technique, la quantité voulue d'additifs fibreux est automatiquement déposée à la bonne place.

[0019] L'invention concerne également un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé, il comporte, pour le dépôt d'additifs fibreux une saleuse utilisant un éjecteur à force centrifuge.

[0020] De préférence, celle-ci comporte un ou plusieurs disques à axe sensiblement vertical en rotation dans leur plan sur lesquels les additifs fibreux sont déposés.

[0021] Par ailleurs, le dispositif peut comporter pour le malaxage des matériaux à renforcer et des additifs fibreux des machines du groupe charrues à disques, charrues à socs, pulvimixer tel qu'un malaxeur à arbre horizontal ou rotavator.

[0022] On voit que le dispositif de l'invention utilise des moyens simples et robustes qui sont par conséquent particulièrement fiables.

[0023] La description et les figures qui suivent permettront de comprendre l'invention et d'en saisir les avantages.

La figure 1 montre un engin qui effectue à la fois la distribution régulière des additifs fibreux stockés et leur mélange aux matériaux du sol,

La figure 2 un système indépendant de répartition des additifs fibreux sur le sol, et

La figure 3 un engin complet qui utilise des rouleaux de mats de fibres, les déchiquette et dépose sur le sol puis mélange les fragments avec les matériaux du sol.

Les figures 4 et 5 concernent un dispositif pour extraire les additifs fibreux de leur stock et leur donner un débit constant.

[0024] Le procédé de l'invention se déroule le plus souvent en deux étapes, la première consiste à déposer sur le sol les additifs fibreux en une couche régulière puis, la deuxième, à les répartir régulièrement dans les matériaux du sol qu'on travaille avec un engin adapté qui remplit la même fonction qu'une simple charrue.

[0025] Il est également possible d'utiliser pour cette deuxième opération des appareils dits pulvimixers qui extraient le matériau du sol en le pulvérisant puis le réintroduisent après l'avoir mélangé, le mélange se faisant soit avec les additifs déposés sur le sol dans la première étape décrite plus haut (figure 1), soit avec ceux qu'on apporte à l'instant précis où les matériaux ont été extraits du sol, avant qu'ils y retournent. La figure 3 décrit cette dernière variante, la figure 2 illustre, elle, la première étape de la première variante : répartition sur le sol des additifs fibreux et les figures 4 et 5 la phase préparatoire à cette première étape.

[0026] Sur la figure 1, on voit un engin automoteur qui comporte trois éléments essentiels, un distributeur d'additifs fibreux 1, un rouleau extracteur-pulvériseur 2 et enfin, un rouleau compresseur 3.

[0027] Le distributeur de fibres 1 se compose de deux parties, la première, en haut est un réservoir de fibres 4 qui contient ici des faisceaux de filaments coupés dans des fils de fibres de verre de renforcement (verre E), chaque fil était de 25 tex, le diamètre des filaments constitutifs était de 11 µm, c'est-à-dire que chaque fil comportait 48 filaments élémentaires. La longueur des tronçons de faisceaux était de 12 mm. Au fond du réservoir de fibres, au niveau marqué 5 sur la figure se trouve un dispositif extracteur. Un tel dispositif doit remplir deux fonctions, extraire les fibres en évitant qu'elles se coincent au fond du réservoir et doser le débit de fibres. Plusieurs dispositifs permettent de remplir ces deux fonctions, l'un d'eux comporte une grille vibrante située au fond du réservoir qui surmonte une série de vis d'Archimède parallèles, à axes horizontaux dont la vitesse de rotation définit le débit. A la sortie des vis d'Archimède les fibres sont réparties régulièrement sur toute la largeur de la machine, perpendiculairement au plan de la figure. Pendant que l'engin automoteur avance sur le sol, il y dépose ainsi un tapis 6 de fibres d'épaisseur régulière.

[0028] Lorsque l'extracteur-pulvériseur 2 pénètre dans le sol et le retourne, le malaxe, il mélange en même temps, les fibres et les matériaux du sol réduits en poudre.

[0029] La quantité de fibres qu'il convient d'introduire dépend de l'amélioration qu'il s'agit d'obtenir. S'il s'agit des propriétés mécaniques seules, s'il faut d'une manière générale améliorer la portance, alors des quantités très faibles sont suffisantes. On obtient d'excellents résultats avec des taux compris entre 0,01 et 0,10 %.

[0030] En revanche, comme il est décrit dans la demande de brevet WO 94/28248 déposée le 01/06/1994, demande dont l'enseignement est incorporé dans la présente demande, pour augmenter la tenue à la fissuration de sols dans lesquels un liant hydraulique a été ajouté, il peut être nécessaire d'accroître la proportion de fibres jusqu'à des taux de 2 ou même 5 kg/tonne (0,20 ou 0,50 %) de même les résultats sont meilleurs en général avec des fibres plus longues, de 25 mm ou davantage. Les limites de la méthode de l'invention, c'est-à-dire le taux maximum d'additifs fibreux qu'il est possible de mélanger en appliquant les étapes du procédé de l'invention sont cependant beaucoup plus élevées. On a obtenu lors des essais un mélange homogène en ajoutant à du sable dont les plus gros grains avaient 0,5 mm, une proportion de fibres de verre de renforcement d'une longueur de 200 mm de 5 %.

[0031] La dernière opération réalisée par l'engin automoteur de la figure 1 est le roulage. Le rouleau compresseur 3 écrase les matériaux ameublis et amène le niveau du sol 8 à la hauteur qu'il avait avant le début du travail en 9.

[0032] Selon la nature du sol et sa destination, il peut être nécessaire d'ajouter en plus des additifs fibreux, d'autres matériaux, liants divers ou sables correcteurs par exemple. Dans ce cas, ils seront de préférence déposés sur le sol de la même manière que les fibres.

[0033] L'engin automoteur de la figure 1 regroupe en une même machine les dispositifs qui permettent de réaliser les deux opérations du procédé de l'invention : répartition régulière des fibres et mélange avec les matériaux du sol ameublis. En plus le roulage effectué à la suite termine instantanément le travail. Mais il est évidemment possible de réaliser toutes ces opérations indépendamment, chaque fois avec un engin approprié.

[0034] Ainsi pour répartir les additifs fibreux sur le sol, on utilisera avantageusement les machines habituellement destinées à répartir sur les routes gelées, soit des sels antigels, soit des poudres antidérapantes (sables de granulométrie définie, éventuellement chauffés).

[0035] La figure 2 représente ainsi une saleuse centrifuge. On voit la plate-forme 10 d'un camion sur laquelle est posé un réservoir de fibres 11 avec en dessous, son extracteur - régulateur de débit 12. Celui-ci alimente une goulotte inclinée non représentée qui dépose les fibres sur un disque horizontal 13 porté par un axe vertical et animé d'un mouvement de rotation rapide. Lorsque le camion avance, il est important que le débit des dispositifs extracteurs - régulateurs de débit soit adapté à la vitesse d'avancement. C'est pourquoi une roue 15 permet d'entraîner directement les extracteurs ou au moins d'enregistrer la vitesse d'avancement pour que l'extraction lui soit proportionnelle. On obtient ainsi que, quelle que soit la vitesse du camion, la quantité d'additifs fibreux répartis sur le sol reste constante. La vitesse de rotation du disque est ajustée quant à elle pour obtenir la largeur déposée voulue.

[0036] Des essais effectués avec une saleuse BUCHER de grosse capacité, avec un réservoir de 5 m³ rempli de STABI-FIL (diamètre des filaments : 14 µm) coupés à 12 mm ont permis de répartir uniformément les fibres sur 8 m de largeur. Dans le cas du chantier concerné, il s'agissait d'incorporer les fibres dans les matériaux du sol sur une profondeur de 20 cm, on a donc pu utiliser pour effectuer le mélange une charrue à disques tractée qui produit sur cette profondeur un malaxage très satisfaisant en une seule passe. Le taux des fibres, uniformément réparties dans le sol, était, à la fin de l'opération, de 0,02 %. Un tel taux fournit avec le STABI-FIL une portance, une cohésion, une stabilité à l'humidité tout à fait satisfaisantes.

[0037] Lorsque la profondeur à traiter est plus importante, la charrue à disques devient inefficace et il convient d'utiliser une charrue à socs portée ou un engin pulvimixer du type de celui de la figure 1.

[0038] L'engin de salage à disque horizontal précédent a été utilisé également pour disperser sur le sol, non pas des fibres de verre de renforcement, mais des fibres de verre d'isolation. Il s'agissait de fibres provenant de matelas de laine de verre déchiquetés et reconstitués en nodules conformément au procédé du brevet EP-B-0 455 553. Il s'agit après déchiquetage d'un matelas, de faire passer les flocons dans une « noduleuse » où l'on oblige, à l'aide de couteaux, les fibres à passer au travers d'une plaque équipée de trous de 6 à 15 mm de diamètre. Les nodules, tout comme les fibres de renforcement coupées se dispersent parfaitement à l'aide de la saleuse de la figure 2.

[0039] La figure 3 présente une manière différente d'apporter des fibres coupées au sein des matériaux du sol ameublis. Elle diffère à deux titres des méthodes déjà décrites, par la forme sous laquelle les fibres se présentent et par le mode d'incorporation des fibres.

[0040] Les fibres se présentent sous la forme d'un mat de verre, c'est-à-dire que les fibres continues ou coupées en sont associées et liées pour former un tapis 17 qui est conditionné sous forme de rouleau 16. L'engin automoteur de la figure 3 est équipé d'un porte-rouleau 18 supporté par les roues avant 19. Le mat 17 est entraîné par les rouleaux 20 à une vitesse liée à la vitesse d'avancement du véhicule. C'est en effet le rapport entre ces deux vitesses qui définit la concentration des additifs fibreux par rapport aux matériaux du sol. On voit en 21, 22 et 23 le mécanisme connu qui permet de déchiqueter le mat et de retrouver les fibres constitutives associées dans les faisceaux qu'on souhaite introduire dans le sol. La différence dans l'introduction des fibres avec ce qui précède réside dans le fait qu'ici les faisceaux de fibres 24 ne sont pas déposés sur le sol comme précédemment mais introduits directement dans les matériaux ameublis par l'extracteur à ailettes 25. Une fois les matériaux remis en place, le rouleau compresseur 26 aplanit de nouveau le sol et le ramène à son niveau antérieur.

[0041] Dans le cadre de l'invention, il est également prévu que le mat de fibres de verre décrit ci-dessus dans la mesure où il est constitué de fibres coupées soit déposé directement sur le sol et que les engins destinés à ameublir le sol et/ou à mélanger les additifs fibreux travaillent sur le mat et incorporent ses composants là où il se trouve.

[0042] Pour faciliter la séparation et le dosage des faisceaux de fibres, on a également utilisé un autre dispositif représenté figures 4 et 5. Il s'agit d'un dispositif de décompactage et de transport pneumatique qui est alimenté par une trémie 120 avec les fibres. Le dispositif tel que celui décrit dans le brevet français 2 557 817 représenté à la figure 4 comporte essentiellement un démotteur 127 précédant une cardeuse 121 qui alimente une vanne à écluses 122 et il comporte une turbine à débit contrôlé non représentée qui fournit à l'orifice 125 l'air nécessaire au transfert des fibres.

[0043] Les matériaux fibreux peuvent être introduits en vrac par exemple grâce à un silo situé au-dessus du dispositif. L'imbrication des fibres comprimées est importante et c'est pourquoi on a trouvé utile de remplacer les pales du démotteur 127 par deux éléments différents, d'une part un bras tranchant 128 (figure 5) qui sert de couteau et est capable de couper les agglomérats de fibres grâce à son tranchant orienté dans le plan de sa trajectoire, et d'autre part, à l'extrémité du couteau, un doigt symétrique 129 perpendiculaire au bras qui peut prendre différentes orientations dans son plan de manière à soit repousser les fibres vers la sortie du démotteur 127 et les diriger vers la cardeuse 121 soit au contraire maintenir la fibre dans la zone de démottage le temps suffisant pour que les faisceaux de fibres se séparent les uns des autres.

[0044] Le dispositif des figures 4 et 5 permet ainsi d'alimenter régulièrement un système répartiteur d'additifs fibreux tel que la saleuse de la figure 2. Le débit de fibres est défini par la vitesse de rotation des couteaux 127 de la figure 4 et donc de la vanne à écluse qui effectue le dosage volumétrique.

[0045] Pour la clarté de l'exposé, on a présenté sur les figures 1 et 3 les différentes phases du procédé de l'invention réalisées dans un engin unique mais il est clair qu'elles peuvent être mises en oeuvre indépendamment. De même, on ne sort pas du procédé de l'invention en combinant entre elles des phases de procédé extraites d'exemples différents.

[0046] Ainsi, par exemple, le mat de la figure 3, son distributeur et son déchiqueteur peuvent être remplacés par le distributeur d'additifs fibreux 1 de la figure 1 qui remplit la même fonction, distribuer des faisceaux de fibres stockés, le stockage sous forme d'un mat étant simplement remplacé par un stockage en vrac.

[0047] Dans tous les essais où l'on a utilisé des faisceaux de fibres de verre de renforcement coupés et stockés en vrac, on a constaté une facilité de mise en oeuvre beaucoup plus grande dans le cas où la coupe des fils avait été exécutée sous filière immédiatement après le rassemblement des filaments pour constituer un fil. En comparaison, les faisceaux de fibres coupés à partir de « rovings » avaient tendance à constituer des paquets de fibres, que les dispositifs extracteurs situés à la sortie des réservoirs de fibres ont plus de mal à séparer.

[0048] Le procédé et les dispositifs décrits plus haut permettent d'incorporer dans le sol qu'on veut traiter, des matériaux fibreux précisément dosés et bien répartis. Ce dosage et cette répartition permettent d'exploiter au mieux les performances fournies par les additifs fibreux, en particulier par les faisceaux de fibres de verre de renforcement. C'est ainsi qu'avec des quantités aussi faibles que celles comprises entre 0,01 et 0,10 % on fournit au sol des performances mécaniques très importantes, tandis qu'avec des taux plus importants qui peuvent atteindre et même dépasser 0,50 % on procure à un sol qui contient un liant hydraulique, une amélioration très sensible et même une disparition des phénomènes de fissuration. Mais les techniques de l'invention permettent, pour des applications particulières, de mélanger des taux de fibres bien supérieurs, jusqu'à 5 %.

Revendications

1. Procédé de renforcement des matériaux déjà en place d'un sol par l'apport notamment d'additifs fibreux comportant les étapes suivantes :

- dégagement de la surface pour rendre accessibles les matériaux à renforcer, s'ils ne l'étaient pas,

- si nécessaire, fragmentation desdits matériaux,

- dépôt d'une couche régulière d'additifs fibreux préalablement coupés.

- malaxage des matériaux à renforcer et des additifs fibreux jusqu'à une proportion pondérale de 0,01 % à 5 %.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les additifs fibreux sont des fibres de verre de renforcement sous forme de faisceaux coupées à une longueur de 3 à 500 mm.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la coupe des faisceaux de fibres est effectuée à l'endroit où elles sont produites, immédiatement après leur constitution avant toute opération d'enroulement.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les additifs fibreux sont des fibres de verre ou de roche obtenues par centrifugation et conditionnées sous forme de nodules par passage au travers d'une plaque à trous.

5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on utilise pour le dépôt d'une couche régulière d'additifs fibreux sur le sol, des appareils destinés à distribuer des matériaux pulvérulents sur les routes, notamment ceux adaptés au traitement des routes gelées par des poudres diverses telles que des sels antigels ou des poudres antidérapantes.

6. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que les faisceaux de fibres sont associés en formant un mat et que c'est ce mat qui est déchiqueté et ses fragments déposés sur le sol ou dans les matériaux du sol.

7. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, pour le dépôt d'additifs fibreux une saleuse utilisant un éjecteur à force centrifuge.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la saleuse comporte un ou plusieurs disques à axe sensiblement vertical en rotation dans leur plan sur lesquels les additifs fibreux sont déposés.

9. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte pour le malaxage des matériaux à renforcer et des additifs fibreux des machines du groupe charrues à disques, charrues à socs, pulvimixer tel qu'un malaxeur à arbre horizontal ou rotavator.

Dessins