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Structure stabitisée, notamment de type ballast, et procédé de
stabilisation d'une telle structure
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 exempte, la
construction de voies ferrées et la construction de routes. Dans de
io tets 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
i s 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 tes
expressions « cailloux » et « éléments » seront utilisées
indifféremment.
?o 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.
~s 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 parues
~o 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
~s de surface en enrobés bitumineux nécessitent souvent de stabiliser
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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 ia structure ballastée, telles que, par exemple sa
capacité de répartir les charges, son aptitude au drainage et à
l'évacuation rapide des eaux.
io 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
i a 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
?o 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
~o - 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
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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
io 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.
~s 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
~o (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
~s 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.
~o 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 l'
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
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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
s 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
io 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
is 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
~o 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
~o 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
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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
io 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 ta Société Saint-Gobain sous la marque
ISOVER.
En ce qui concerne le liant, l'utilisation d'une émulsion de
~s 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
~o d'exemple, une émulsion de bitume pur ou modifié dont le dosage
est compris entre 1500 et 1800 glm2 ou un liant anhydre dont le
dosage est compris entre 800 et 1200 g/m2, 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
~o 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
~s de 1,5 à 3 % de polymère SBS dans un bitume de pénétration
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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 < 25°C, ce qui permet un collage par point du
ballast, irréversible à température ambiante, suffisant pour
io empêcher que les cailloux ne s'envoient au passage des trains,
mais suffisamment faible pour qu'une action mécanique puissante
par vibration par exemple, permette de rétablir l'indépendance
mécanique de chaque caillou et donc de retravailler la géométrie de
la voie par bourrage du ballast.
ia A température ambiante (20°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
~o 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
~s 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
~o 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
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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.
io Ainsi, à titre d'exemple sur la base de ces variantes, le
procédé peut consister soit
- à épandre un film d'une émulsion de bitume pur ou modifié
dosée entre 1500 et 1800 g/mz et à le recouvrir ensuite par des
fibres dosées entre 50 et 600 g/mz ;
i a - à épandre un lit de fibres dosées entre 50 et 600 g/m2 et à
le recouvrir ensuite par un ~Im d'une émulsion de bitume pur ou
modifié dosée entre 1500 et 1800 glmz ;
- à épandre d'abord une première couche de fibres dosées
entre 50 et 600 g/mz, à la recouvrir d'un film d'un liant anhydre dosé
~o 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
~s 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 aeuvre du procédé, des
~o fibres prédécoupées sont amenées sur le chantier pour ëtre 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
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haut et en choisissant, par exemple, une mise en oeuvre avec les
paramètres suivants
- épandage de fibres de verre à raison de 50 glm2 de 130 mm
de longueur et de 13 E~m de diamètre (fibres ISOVER ST GOBAIN)
s 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 ~~m de diamètre (fibres ISOVER ST GOBAIN)
recouvertes par 1,5 kg/mz d'émulsion à base de bitume 70/100
io modifié par addition de styrène (SBS)
- épandage de fibres de verre à raison de 573 glmz de 25 mm
de longueur et de 13 ~~m de diamètre (fibres ISOVER ST GOBAIN)
recouvertes par 1,5 kglm2 d'émulsion à base de bitume 70/100
modifié par addition de styrène (SBS)
is - épandage de fibres de verre à raison de 150 g/m2 de
130 mm de longueur et de 13 ~~m 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 aeuvre, le
~o 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.
~s 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.
~o Cependant, le but de !'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
~a couches supérieures de la structure à stabiliser sont « collés » l'un
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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
io 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
i ~ 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 Vibres.
Ainsi, dans une application routière, on cherche à stabiliser
~o 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
~o 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.
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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 matiére organique et
appliquées, soit avec des pistolets, soit avec une rampe. Leur
io 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
is de faciliter la compréhension de ces dernières, et n'en limitent
aucunement la portée.
