OA21640A - Procédé de stabilisation éco-responsable des chaussées par la technique des géopolymères. - Google Patents

Abstract

La présente invention se rapporte à un Procédé de stabilisation éco-responsable des chaussées par la technologie des géopolymères. Pour sa réalisation, l’on a besoin principalement du sable, des blocs de terre comprimées et stabilisées, de l’argile latéritique crue, de l’argile latéritique calcinée, une solution alcaline à base de soude et de cendres de balle de riz, un support de type voile en béton constitué d’argile latéritique calcinée, de sable, des graviers et une solution une solution alcaline, une couche de roulement en béton afin de limiter les dégradations superficielles de la chaussée sous l’effet des actions extérieures et de suivre une succession d’étapes précises. La solution activatrice utilisée pour la formulation du liant géopolymère est un mélange obtenu après ébullition des cendres de balles de riz broyées, la soude et de l’eau jusqu’à la dissolution entière desdits cendres. La solution activatrice utilisée pour la formulation dudit liant géopolymère est un mélange obtenu après ébullition des cendres de balles de riz broyées, la soude et de l’eau jusqu’à la dissolution entière desdits cendres. En l’absence de l’argile latéritique calcinée, l’argile calcinée issue des cendres volcaniques et/ou toutes autres sources aluminosilicates riches en fer, alumine et silice peut être utilisé pour la fabrication du liant géopolymère utilisé dans le cadre de la réalisation de la présente invention.

Description

I. INTRODUCTION

La présente invention se rapporte à un Procédé de stabilisation écoresponsable des chaussées par la technologie des géopolymères. Elle se relève du domaine de stabilisation et de renfort dans la conception, la construction, l’entretien et la réhabilitation des routes.

L’invention est aussi bien adaptée pour l’utilisation des techniques Hautes Intensité de Mains d’œuvre (HIMO) dans la mise en œuvre. Elle trouve une application avantageuse sur un triple plan économique, environnemental et social dans les routes, notamment par l’utilisation des matières disponible localement, la mise en œuvre d’une nouvelle technologie innovante et la réalisation des travaux de qualité, à moindre coût, écologique et durable.

II. ETAT DE LA TECHNIQUE

La route est une voie ou un passage aménagé (chaussée) au sol et qui permet la circulation des biens et des hommes. Par la suite, la chaussée est une partie de la route formée de couches comprenant le sol support, la couche de fondation, la couche de base et la couche de roulement. L’évolution des chaussées routières a été considérable depuis l’époque des Romains jusqu’à nos jours.

En Occident les plus grands constructeurs de chaussées furent les Romains. La coupe d’une chaussée romaine dont l’épaisseur dépassait 1 mètre était la suivante :

• Couches inférieures : une couche de fondation en pierres plates (statumen) et une couche de déchets pierreux (rudus) ;

• Couche de base : une couche de pierres concassées et de chaux grasse (nucléus) ;

• Couche de roulement : un dallage scellé au mortier de chaux (summum dorsum).

Comme on peut le voir l’entretien de telles routes était difficilement envisageable. Il a fallu attendre le XVIIème siècle pour voir se dessiner une tentative de normalisation. C’est au XVIIIème siècle que l'entretien des routes entre dans le budget de l’Etat en France. Les idées modernes de la reconnaissance du tracé, de la recherche des matériaux locaux, de l’appréciation de la qualité des sols rencontrés sur le tracé sont déjà exposés à cette époque. Mais la recherche d’un optimum économique n’est pas encore entrée dans les moeurs, et chose curieuse le compactage des remblais est déconseillé ; on laissait au temps le soin d’assurer le tassement.

Vers la fin du XVIII ème et au début du XIXème siècle, il n’y a pas encore une grande évolution des techniques routières. TRESAGUET (mémoire de 1775) préconise :

• Une fondation en grosses pierres posées de champ et enfoncées à la main

J • Une couche de régularisation constituée par des éclats de pierres, rangées et battues à la main ;

• Une couche de roulement de 3 pouces, en pierres de la grosseur d’une noix, cassées à la pierre et jetées à la pelle.

L’écossais MAC ADAM pose en 1820 la question de l’utilité de la fondation en grosses pierres et formule clairement l’idée que la chaussée constitue un matelas épanouissant les charges.

L’automobile a fait son apparition avant le début du XXème siècle, mais elle n’a pris son essor que grâce à l’invention du pneumatique.

En 1887, DUNLOP (vétérinaire anglais), obtient le premier brevet de pneumatique collé sur la jante.

En 1889, les Frères MICHELIN réalisent le premier pneumatique démontable pour bicyclette, et les premiers pneumatiques pour automobiles 1893.

Sur le plan contextuel structurel, on distingue deux (02) routes à savoir les routes non revêtues et revêtues.

Les routes non revêtues encore appelées routes en terre, sont réalisées par la mise en œuvre des produits stabilisants tels que le ciment Portland, la chaux, les polymères (CON-AID CBR PLUS, TERRA PLUS, AggreBind, etc.) et les géotextiles.

Le procédé consiste à scarifier la chaussée, d’arroser cette dernière avec des produits spécifiques et de malaxer l’ensemble, avant de procéder au compactage. Le but recherché étant d’augmenter le California Bearing Ratio (CBR) du sol support, c’est à dire la portance du sol. Le matériel mobilisé à cet effet était une niveleuse, une citerne à eau et un compacteur.

Les géotextiles sont des matériaux qui sont appliqués sur le sol pour en améliorer la stabilité, réduire l'érosion et faciliter le drainage. Les géotextiles sont disponibles dans une variété de tailles et d'épaisseurs.

Certains sont tissés, tandis que d'autres sont des extrusions de plastique épais pouvant atteindre quatre pouces d'épaisseur. Les géotextiles sont surtout utilisés pour prévenir l'érosion. Ils protègent la couche supérieure du sol contre le déplacement par la pluie ou l'eau dans cet exemple. Les géotextiles peuvent être utilisés pour la construction de routes dans certains endroits et à des fins particulières. Des géotextiles d'extrusion plus épais sont souvent requis pour la construction de routes afin de leur donner la résistance nécessaire. Les géotextiles sont disponibles dans une gamme de formes et de tailles et peuvent être appliqués à pratiquement tout type de sol. Les géotextiles sont largement utilisés pour le contrôle de l'érosion.

Cependant, l’utilisation des géotextiles pour la stabilisation des routes non revêtues sont assez coûteux. Ils ne sont pas toujours respectueux de l’environnement, durent moins longtemps et nécessitent beaucoup de produits par application.

En raison de leur coût élevé, les géotextiles sont rarement utilisés pour la construction de routes ou pour des applications à forte charge. Ils demandent généralement beaucoup de travail en raison de leur nature mécanique, car les ouvriers doivent les mettre en place manuellement.

Les routes revêtues sont des routes dont la conception des chaussées doit satisfaire, en matière d'exigences structurelles, à deux critères principaux :

• le corps de la chaussée doit assurer une répartition des contraintes telle que le sol de la plateforme ne puisse poinçonner ;

• les matériaux constitutifs des couches de chaussées doivent avoir des épaisseurs et des caractéristiques de résistance suffisantes pour supporter les contraintes répétées de cisaillement, de compression et de traction engendrées par le trafic.

Le goudron, les enrobés, l’enduit et l’asphalte sont des revêtements utilisés pour recouvrir les routes revêtues.

Le goudron de houille, encore appelé aussi simplement goudron, provient de la distillation de la houille. De couleur marron à noire, il est très visqueux voire solide. Dans le langage courant, on le confond souvent avec les enrobés bitumineux. Cette confusion est due à l'invention du tarmacadam, ancêtre des revêtements routiers, qui était fabriqué à l'origine avec du goudron. Le tarmacadam est lui-même confondu avec le macadam qui n'est qu'une technique d'empierrement sans goudron ni bitume. Le goudron n'est plus utilisé aujourd'hui, il a été remplacé par le bitume dans les enrobés et par l'émulsion de bitume dans les enduits. Le goudron provient également de poix modifiée de résineux, en particulier le goudron de pin, issu de la distillation destructive de bois et des racines de pin.

L’enrobé est d'un mélange de graviers, de sables, de fines et de liant, appliqués en une seule couche. Le choix du liant déterminera le type d’enrobé. Les formulations d’enrobé sont élaborées afin de s'adapter aux lieux et aux usages (voirie, trottoirs, pistes cyclables, terrasse...) et le rendu sera plus ou moins rugueux en fonction de la taille du granulat utilisé. On distingue :

• Le liant bitumineux, utilisé pour les couches de roulement est un dérivé du pétrole, il est donc généralement noir. Toutefois, l'ajout de pigments minéraux (le plus souvent des oxydes métalliques) permet d’obtenir d’autres teintes (rouge, brun, bleu, etc). Lors de sa mise en oeuvre, l'enrobé est toujours compacté (contrairement à l'asphalte) et doit se faire dans des conditions climatiques clémentes (pas par grand froid ou sous une pluie battante). Après son application à chaud, la mise en circulation est quasiimmédiate (compter environ 3 à 4 heures de temps de repos et de refroidissement). L’enrobé bitumineux est donc un revêtement économique et carrossable, c'est pourquoi ce matériau est très souvent utilisé pour les chaussées, trottoirs et cours de particuliers ;

• Les liants naturels, ce sont végétaux, qui ne contiennent donc pas de pétrole, ils sont le plus souvent de couleur ocre. Ceux-ci sont encore très peu utilisés car très onéreux. En outre, ces liants ne possèdent pas les mêmes propriétés et en particulier la même résistance que les autres enrobés, d'où une utilisation réservée aux espaces à faible circulation (chemin, voies piétonnes, pistes cyclables).

Les enduits dits superficiels ne sont pas fabriqués dans des centrales à chaud mais dans des raffineries contrairement aux enrobés. Ils se composent de deux couches superposées (1 fine couche d'émulsion de bitume qui fait office de liant ou de colle et 1 couche de graviers de 1 à 2 cm) et cette opération peut être ou non répétée d'où l'appellation monocouche, bicouche, tricouche. Le liant utilisé se nomme émulsion de bitume, celui-ci est composé de bitume et d'eau. Les enduits possèdent des caractéristiques similaires aux enrobés, notamment leur imperméabilité et leur carrossabilité, cependant, ils sont beaucoup plus rapides à mettre en œuvre, moins coûteux et offrent un aspect plus naturel puisque seuls les graviers apparaissent. L'existence d'un large choix de graviers permet en outre d'offrir une palette de rendus esthétiques très étendue. En contrepartie, ce type de revêtement moins résistant durera moins dans le temps mais d'un autre côté, celui-ci sera plus facilement renouvelable, rechargeable.

L'asphalte est une roche calcaire imprégnée de bitume (résidu d’anciens gisements de pétrole présent à l'état naturel) qui était couramment utilisée il y a une quarantaine d'années dans la construction des trottoirs et chaussées. Son usage tend à disparaître au profit de l'enrobé qui est aujourd'hui plus robuste, plus malléable et plus facile à appliquer.

Cependant, les solutions ont été mises sur pied pour le renforcement des couches d’enduit superficiel par les technologies du géotextile :

• Le renfort par les géotextiles issus des mèches de verre à haut module d’élasticité (compris entre 6 à 28 GPa) sous forme de grille et imprégnées de résine de type PVC comme décrit dans le document US 6,315,499.;

• Le renfort par les mats de verre non tissés issus des fibres de haute ténacité en verre et polyester liées entre elles. Les mats sont de la marque TruPave^@ et commercialisés par la société Owens Corning ;

• Le renfort des enrobés par un support imperméable et fabriqué dans un matériau fusible de l’ordre de 100 °C, puis recouvert d’un mat de fibres à haute ténacité tel que décrit dans le document EP 1 693 517 ;

• Le renfort de revêtement routier de type enduit superficiel à froid comportant un support imperméable au liant d’accrochage de type voile constitué de fibres synthétiques en polyoléfines non tissées et d’un mat constitué de fibres à haute ténacité destinées à recevoir la couche de granulats tel décrit dans le brevet d’invention OAPI N° 20448.

Cependant ces renforts sont complexes dans la mise en oeuvre à cause de sa raideur sur des supports irréguliers ainsi que leur pose dans les virages du fait du non extensibilité des géotextiles ou faible élongation des mats. De plus certains renforts ne sont pas adaptés aux enduits superficiels à froid. Car la température mise en œuvre étant faible ne permet pas de fondre le support afin consolider les différentes couches de l’enduit superficiel à froid.

Le problème technique que se propose de résoudre l’invention est de mettre au point un procédé de renforcement routier adapté aussi bien les routes non revêtues (routes en terre) ou non revêtues (particulièrement le renforcement du sol support, couches de fondation et base) et facile à mettre en œuvre.

III. DESCRIPTION DE L’INVENTION

La présente articulation de ce mémoire comporte une description sommaire de l’invention et une description détaillée.

III.1. Description sommaire de l’invention

La mise en œuvre du Procédé de stabilisation éco-responsable des chaussées par la technologie des géopolymères, objet de la présente invention, se subdivise en trois (03) parties à savoir : la production de la solution activatrice, l’activation thermique de la latérite argileuse et la réalisation des différentes couches de chaussées.

La production 1 L de solution activatrice nécessite 2,5 L d’eau, 250 g de pastilles de soude (pureté > 98 %) et 500 g de cendres de balles de riz préalablement broyées. L’eau est portée à ébullition (température > 100 °C) dans un récipient inoxydable. Par la suite, les pastilles de soude et les cendres des balles de riz sont introduits progressivement dans le récipient. On remue le mélange jusqu’à ce que les cendres de balles de riz se dissolvent dans la solution. La solution obtenue est une solution alcaline de silicate de sodium.

Une fraction de latérite argileuse sera prélevée sur le site de terrassement destinée à la construction de la route et sera broyée finement. Non loin du site, un four traditionnel sera réalisé pour l’activation thermique de ladite latérite.

tamisée à 1 cm, de sable de 0/5 mm (pour compléter la granulométrie de la latérite), 1,25 kg de latérite argileuse activée thermiquement et afip enfin 750 ml de solution activatrice. Le mélange est introduit dans une presse hydraulique pour être comprimée.

Le sol support [Figure 3E et Figure 4E] des planches de dessins lll/IV et IV/IV (obtenu par le terrassement du site, sera recouvert d’une épaisse couche de sable 0/5 mm d’environ 10 cm faisant office de couche de fondation [Figure 3D et Figure 4D] des planches de dessins lll/IV et IV/IV Cette couche est destinée à aplanir le sol support. Par la suite, les blocs stabilisés et comprimés [Figure 3B et Figure 4B des planches de dessins lll/IV et IV/IV] seront disposés sur l’emprise de la chaussée comme le montre la Figure 4 de la planche de dessin IV/IV.

La couche de roulement ou le voile [Figure 2A, Figure 3A et Figure 4A] des planches de dessins ll/IV, lll/IV et IV/IV sera en béton géopolymère dosé à 350 kg/m³ de latérite argileuse calcinée. La production d’un m³ de ce béton nécessitera 350 kg de latérite argileuse calcinée, 850 kg de sable 0/5 mm, 1259 kg de graviers 5/15 mm et afin 280 kg de solution activatrice.

Le mélange est soigneusement malaxé à l’aide d’une bétonnière afin d’obtenir une consistance homogène. Puis ce béton géopolymère est répandu sur les blocs, tout en s’assurant de la bonne infiltration d’une partie dudit béton dans les alvéoles des blocs [Figure 2C, Figure 3C et Figure 4C] des planches de dessins ll/IV, lll/IV et IV/IV. Le béton infiltré joue ainsi un rôle d’ancrage et d’adhérence de la couche de roulement sur la couche de base formée de blocs alvéolés. Ainsi les sollicitations externes liées aux trafics et aux effets créés par les conditions climatiques ne vont pas provoquer le décollement de la couche de roulement [Figure 2A, Figure 3A et Figure 4A] à base de liant géopolymère.

De plus le béton géopolymère formulé sera utilisé pour la stabilisation des fossés situées aux extrémités de la chaussée servant à l’évacuation des eaux de ruissellement.

De plus le béton géopolymère formulé sera utilisé pour la stabilisation des fossés situées aux extrémités de la chaussée servant à l’évacuation des eaux de ruissellement.

III.2. Brève description des figures

La Figure 1 de la planche de dessin l/IV explique le processus de fissuration de la couche de roulement due à son décollement de la couche de base.

Tandis que la Figure 2 de la planche de dessin ll/IV expose la présence des ancrages qui assurent la stabilité de la chaussée sous l’effet des sollicitations extérieures.

La Figure 3 de la planche de dessin lll/IV montre la vue de dessus d’une partie de la chaussée de manière stratifiée issue de

La Figure 4 de la planche de dessin IV/IV présente la vue de la coupe transversale de la route constituée des différentes

III.3. Description détaillée de l’invention.

En référence aux Figures 1 et 2 , le béton géopolymère présent dans les alvéoles des blocs de la couche de base va empêcher le décollage de la couche de roulement qui est l’origine de l’observation des fissurations en surface.

Car ces sollicitations externes imposées sur les chaussées sont liées aux trafics et aux effets créés par les conditions climatiques. Sous ces sollicitations, des phénomènes complexes tels que les phénomènes mécaniques, thermiques, physiques et chimiques se produisent.

Selon le catalogue des dégradations de surface de chaussées du LCPCSETRA (1998), les dégradations des chaussées peuvent être divisées sous quatre familles : les arrachements, les mouvements de matériaux, les dégradations de déformations et les fissures. Quand une couche de chaussée est fissurée, ceci engendre des phénomènes de dégradation tel que la fissuration dans la couche de roulement qui peut être à l’origine d’un décollement de l’interface ou d’une propagation verticale de la fissure.

Un mauvais collage dépend de plusieurs paramètres tels que :

• Le climat au moment de la construction, une grande différence entre la 5 température de l’enrobé bitumineux et la température de l’air augmente le risque d’un faible collage à l’interface. La mise en œuvre de la couche de roulement à haute température conduit à un dessèchement de la surface de la couche de base ;

• La pollution de l’interface par manque de nettoyage avant la mise en œuvre 10 de la couche de roulement ;

• L’épaisseur insuffisante de la couche de roulement ;

• L’absence de couche d’accrochage entre les couches ;

• Le mouvement du sol porteur de la structure ;

• La présence d’eau au niveau de l’interface à cause de pluie ou de 15 remontée d’eau ;

• Le compactage insuffisant de la couche de fondation et de la couche d’assise.

En référence aux Figures 3 et 4, la chaussée est constitué de quatre (04) couches disposées de bas en haut :

· Le sol support est le sol tel qu'il se présente après décapage de la couche humique ou l'exécution des déblais. Il a un module de Young > 50 MPa et un coefficient de poisson de 0,35 ;

• La couche de fondation est la couche qui contribue à réduire les contraintes sur le sol de la plate-forme, assure la transition entre celui-ci et 25 les couches supérieures de la chaussée. Elle est constituée d’une couche de sable 0/5 d’épaisseur comprise entre 10 et 20 cm, d’un module de Young > 90 MPa et un coefficient de poisson de 0,35 ;

• La couche de base est la couche qui subit des contraintes d'autant plus intenses que la couche de roulement est mince. Elle est constituée de matériaux ayant de bonnes qualités de résistance mécanique. Cette couche est constituée de blocs de terre comprimée et stabilisée au liant géopolymère à base de d’argile latéritique calcinée dont l’épaisseur varie entre 9 et 10 cm, d’un module de Young compris entre 1,50 à 4 GPa et un coefficient de poisson compris entre 0,20 et 0,30 ;

• La couche de roulement ou encore couche d'usure a pour fonction de permettre la circulation permanente des véhicules dans des conditions satisfaisantes de sécurité et de confort et d'assurer par son étanchéité la protection du corps de chaussée. Elle doit présenter un bon plan longitudinal et transversal, une macro et une microrugosité favorisant l'adhérence des pneus et l'évacuation rapide des eaux. Elle est constituée de béton géopolymère à base de d’argile latéritique calcinée et granulats dont l’épaisseur varie entre 8 à 15 cm, d’un module de Young compris entre 1,90 à 41,20 GPa et un coefficient de poisson compris entre 0,08 et 0,26.

III.3. Les mérites de l’invention

Le Procédé de stabilisation éco-responsable des chaussées par la technologie des géopolymères, objet de la présente invention, est un procédé permettant la réalisation des chaussées écologiques, durables et moins coûteux. A titre d’exemple et non limitatif, ce procédé :

• Permet, à l’aide du liant géopolymère élaboré, de réaliser des chaussées en pavés, des ponts et des ouvrages connexes à la route ;

• Permet, à l’aide du liant géopolymère élaboré de remplacer le liant conventionnel à l’instar du ciment Portland ordinaire utilisé dans la réalisation des bâtiments.

Claims (4)

1. Procédé de stabilisation éco-responsable des chaussées par la technologie des géopolymères caractérisé en ce que sa réalisation comprend :

- Du sable;

- Des blocs de terre comprimées et stabilisées ;

- De l’argile latéritique crue ;

- De l’argile latéritique calcinée;

- Une solution alcaline à base de soude et de cendres de balle de riz ;

- Un support de type voile en béton constitué d’argile latéritique calcinée, de sable, des graviers et une solution une solution alcaline ;

- Une couche de roulement en béton afin de limiter les dégradations superficielles de la chaussée sous l’effet des actions extérieures.

2. Procédé de stabilisation éco-responsable des chaussées par la technologie des géopolymères selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend plusieurs étapes principales exécutés de façon successive, à savoir :

• la préparation d’une couche de sable faisant office de couche de fondation, les matériaux composites issus de ladite technologie étant destinée à être déposés sur ladite couche de fondation ;

• les blocs de terre comprimées et stabilisées forment la couche de base, ils sont constitués de l’argile latéritique crue, l’argile latéritique calcinée et une solution alcaline à base de soude et de cendres de balle de riz ;

• la couche de roulement est un support de type voile en béton constitué d’argile latéritique calcinée, de sable 0/5, des graviers 5/15 et une solution alcaline à base de soude et de cendres de balle de riz.

3. Procédé de stabilisation éco-responsable des chaussées par la technologie des géopolymères selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la solution activatrice utilisée pour la formulation dudit liant géopolymère est un mélange obtenu après ébullition des cendres de balles de riz broyées, la soude et de l’eau jusqu’à la dissolution entière desdits cendres.

4. Procédé de stabilisation éco-responsable des chaussées par la technologie des géopolymères selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que l’argile latéritique calcinée peut être substitué par l’argile calcinée issue des cendres volcaniques et/ou toutes autres sources aluminosilicates riches.