Poteaux et structures analogues en matériau composite à base de bois, procédé de fabrication et applications.
Secteur technique de l'invention :
La présente invention concerne spécifiquement le secteur technique des poteaux et structures analogues pour le support de câbles électriques, fils téléphoniques, antennes, éclairage urbain, et notamment poteaux électriques, poteaux téléphoniques, « Pylônets ».
Problème technique posé :
Pour fabriquer, avec un intérêt important pour l'industrie, des structures ou éléments du type décrit ci-dessus, c'est-à-dire devant allier rigidité et résistance (s) mécanique(s), y compris sur de grandes longueurs ou hauteurs, et y compris avec la capacité de supporter des charges importantes (câbles, antennes, échafaudages, etc.) il serait intéressant de disposer d'une technologie assurant de plus : une densité aussi faible que possible (en conservant voire améliorant les propriétés requises) - une amélioration de la sécurité et l'esthétique dans certaines applications comme les poteaux électriques.
On recherche notamment des produits qui soient plus légers (moins denses), moins coûteux, présentant une meilleure résistance mécanique, une meilleure résistance à l'impact, une meilleure résistance au fluage, une meilleure résistance thermique, un coefficient linéaire d'expansion plus bas que les produits 100 % polymère, possibilité d'extrusion en une seule phase au lieu de deux phases pour la fibre de verre.
Par ailleurs, il faut pouvoir employer, de préférence, une technologie de fabrication la plus simple possible.
On peut penser à l'extrusion, comme pour les polymères, mais le problème se pose alors 1 ) de disposer d'un produit extrudable conforme aux objectifs ci- dessus, et 2) de pouvoir extruder ce produit en des diamètres et avec une épaisseur suffisante pour assurer une rigidité et autres propriétés au moins équivalentes aux propriétés du bois ou des polymères.
Art antérieur :
On connaît dans les applications ci-dessus des produits composés entièrement de polymères et des polymères armés de fibres de verres ou de minéraux ; ainsi bien entendu que des technologies à base de ciment, bétons, structures métalliques, et analogues.
On ne connaît pas dans ces applications de matériau employant du bois, sauf naturellement les poteaux intégralement en bois, qui présentent l'inconvénient rhédibitoire de devoir être traités par des produits protecteurs très toxiques, que les normes internationales cherchent à bannir absolument.
Or le bois est une matière première abondante, relativement bon marché, et dont il existe de très grandes quantités souvent perdues sous forme de sciure, copeaux et autres débris.
L'objet de l'invention est de recourir à de tels produits en combinaison avec d'autres, comme cela sera décrit ci-dessous.
Il existe donc un besoin très important, bien connu, et non satisfait pour remplacer les poteaux actuels en bois traité toxiques ; malgré ce besoin, aucune technologie satisfaisante n'a vu le jour ; on a au contraire des technologies défaillantes comme les fibres de verre.
Résumé de l'invention :
La présente invention utilise un matériau que l'on nommera « bois polymère ».
Les composites bois polymère sont des produits de substitution au bois naturel, au bois traité, au plastique, aux composites avec renfort 3 de fibres de verre ou autres fibres, à l'aluminium et au béton.
Par rapport au bois traité et au bois non traité, un tel matériau est plus résistant à l'humidité, plus résistant aux champignons et aux termites (selon le pourcentage de bois), plus grande stabilité dimensionnelle (produit uniforme), pas de fendillement, pas de gauchissement, pas d'échardes, produit vert (matériaux recyclés et recyclables) durabilité accrue, ne contient pas de produit chimique contesté, peut être produit en différentes formes et couleurs.
Le bois polymère, que l'on peut également appeler bois plastique, est un matériau qui sera fabriqué à partir d'un mélange de fibres de bois (de toutes origines, sciure, copeaux broyés, débris broyés ou déchiquetés, etc..) et d'au moins un polymère thermoplastique, dans le but d'obtenir un produit présentant très sensiblement l'apparence du bois et la performance des matières plastiques ou composites en milieu humide.
On peut le fabriquer à partir de matières recyclées, et il offre la possibilité de valoriser les résidus de bois et les matières plastiques de post consommation ou résidus industriels plastiques etc., en évitant notamment de les incinérer.
Les polymères thermoplastiques incluent notamment le polyéthylène (PE), HDPE (polyéthylène haute densité), polypropylène et le polychlorure de vinyle (PVC), à titre non limitatif . L'homme de métier saura envisager d'autres thermoplastiques, ainsi que des mélanges de tels thermoplastiques, au besoin au moyen d'essais simples et de routine.
On peut également employer des mélanges d'un thermoplastique, ou d'au moins un thermoplastique, avec d'autres types de polymères comme les mélanges à environ 5 à 10 % de thermodurcissables ; l'homme de métier saura aisément définir les mélanges et proportions, la condition étant que la composition reste extrudable et conduise à la gamme de propriétés recherchées.
Description détaillée de l'invention :
L'invention concerne donc l'emploi d'un matériau de type « bois polymère » ou « bois plastique » dans les applications indiquées ci-dessus, où régnent de nombreuses contraintes souvent antagonistes.
La matière première inclus trois éléments principaux : - La fraction bois : il s'agit de farine finement moulue ou de bois broyé ou défibré provenant des opérations de rabotage ou de sciage (sciure) de feuillus ou de résineux de la seconde transformation du bois ou du recyclage en milieu urbain.
Elle représente de 40 % à 80 % du poids du matériau (selon l'effet recherché).
On peut naturellement employer des mélanges de divers bois ou de bois de diverses origines. - La fraction polymère essentiellement thermoplastique, notamment, à titre non limitatif, un PE recyclé qui est le principal polymère recyclé (ainsi que le PVC), et leurs mélanges. On pourra notamment employer les mélanges de tels produits tels qu'ils se retrouvent dans les déchetteries et les installations de triage de déchets urbains. - Une fraction « additifs » : les additifs éventuels sont les pigments, les lubrifiants, les stabilisants aux rayons ultra violets ainsi qu'une gamme de produits qui peuvent renforcer la structure.
Le composite bois plastique est fabriqué à l'aide d'extrudeuses composées d'une double vis ou d'un tandem simple et double vis. Les granulats plastique (s) et bois sont injectés dans la machine puis extrudés suivant le moule. On effectue un séchage au préalable des sciures ou autres débris de bois sans les endommager, pour l'obtention des granulats bois ou farine.
Selon l'invention, on a déterminé que :
- Le taux d'humidité du bois doit être inférieur à 3-5 %.
- La fraction plastique doit être propre.
Si différents types de sciure sont mélangés (résineux et feuillus), la productivité est acceptable bien que néanmoins réduite.
Cette technique permet d'utiliser les sciures de bois et les déchets plastiques avec un coût d'achat quasi nul compte tenu des problèmes de pollution (décharge saturée, difficulté d'implantation des incinérateurs) avec des possibilités de subvention (possibilité également d'acheter directement des granulats de bois et de plastique).
Le retrait progressif du bois traité à l'ACC et l'augmentation des prix des produits de préservation de remplacement représentent une opportunité pour les fabricants de bois polymère à faire valoir les caractéristiques de leur produit : résistance à l'humidité, peu d'entretien, stabilité du matériau.
Elle permet de créer des produits substituables aux produits issus de la technique du bois imprégné sans les oxydes de cuivre chrome, arsenic (ACC). Tout produit conçu avec le traitement ACC n'est pas neutre et correspond à un « point » de pollution. La Commission européenne souhaite limiter sévèrement l'utilisation du bois traité aux ACC pour 2004, quant aux Etats-unis ce procédé est en cours de suppression. Cette technique de substitution sera la moins onéreuse.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, et en se référant au dessin annexé sur lequel : les figures 1 à 6 représentent en coupe des poteaux selon l'invention, respectivement, dans l'ordre des figures : de section droite 1 circulaire pleine de section droite 1 circulaire creuse (permettant un passage 2 de gaines et câbles 4 éventuellement) de section droite 1 circulaire pleine avec une encoche latérale 5 pour le passage 2 de gaines ou câbles 4 éventuellement.
de section droite 1 circulaire creuse avec un renfort 3 mécanique « en croix » inséré dans la partie creuse, ce qui améliore les propriétés mécaniques tout en laissant subsister des passages 2 internes pour les câbles et gaines, éventuellement.
- de section droite 1 circulaire pleine comportant quatre (exemple non limitatif) passages 2 de câbles ou gaines éventuellement. de section droite 1 circulaire creuse comportant un renfort 3 mécanique « en étoile ».
À noter que naturellement d'autres formes sont possibles, telles que sections carrées, rectangulaires, ovales, bien que la forme circulaire soit actuellement la forme classique pour les poteaux.
Sont également possibles d'autres formes de renforts 3 internes, ou de passages 2 de câbles et gaines.
Les renforts seront constitués soit de la même composition de bois polymère, l'intérêt étant alors de rigidifier un poteau à « parois » minces apportant un gain de matière et de poids considérable, ou une composition de bois polymère plus résistante mécaniquement, ou éventuellement moins résistante mécaniquement, la fonction de renfort venant alors de la géométrie du renfort et des points d'appui sur les parois internes du poteau, par exemple en étoile.
Le renfort peut également être constitué par le plaquage d'un ou plusieurs raidisseurs sur la paroi interne du poteau, qui exerce une pression continue sur la totalité ou sur une partie du poteau (système de tendeur interne différend du renfort en croix). Avantage : laisse la quasi-totalité de l'espace interne, ce type de renfort permet d'abaisser le coefficient de rupture du poteau (augmente le potentiel de flexion du poteau).
Les renforts peuvent être éventuellement précontraints.
Ils peuvent naturellement être également constitués d'autres matières, comme l'aluminium, l'acier inoxydable, du bois, une matière plastique, mais ces options sont nettement moins préférées, puisqu'elles s'écartent des avantages du bois polymère.
Les passages 2 en question peuvent servir à réduire le coût matière et à alléger le poteau, même si l'on n'a pas besoin d'y faire passer des câbles ou gaines.
- la figure 7 représente un poteau 6 dont une extrémité est plantée et fixée dans le sol S, et qui reçoit un câble souterrain CS qui pénètre dans le poteau par le dessous de la base B du poteau, le câble passant ensuite dans une partie creuse du poteau (non représentée, mais selon l'une des figures 2, 4, 5 ou 6, à titre d'exemples non limitatifs) pour sortir au sommet et, par un raccordement connu, constituer la ligne électrique ou téléphonique L (ou alimenter une lampe d'éclairage urbain ou analogue) ; - la figure 8 représente un poteau 6 dont une extrémité est plantée et fixée dans le sol S, et qui reçoit un câble souterrain CS qui pénètre dans le poteau au point latéral H au-dessus de la base B du poteau, le câble passant ensuite dans une partie creuse du poteau (non représentée, mais selon l'une des figures 2, 4, 5 ou 6, à titre d'exemples non limitatifs) pour sortir au sommet et, par un raccordement connu, constituer la ligne électrique ou téléphonique L (ou alimenter une lampe d'éclairage urbain ou analogue) ;
- la figure 9 représente un poteau 6 dont une extrémité est plantée et fixée dans le sol S, et qui reçoit un câble souterrain CS qui pénètre dans le poteau au point h situé au-dessus du sol, le câble passant ensuite dans une partie creuse du poteau (non représentée, mais selon l'une des figures 2, 4, 5 ou 6, à titre d'exemples non limitatifs) pour sortir au sommet et, par un raccordement connu, constituer la ligne électrique ou téléphonique L (ou alimenter une lampe d'éclairage urbain ou analogue) ;
- la figure 10 représente un poteau 6 dont une extrémité est plantée et fixée dans le sol S, et qui reçoit un câble souterrain CS qui pénètre dans le poteau au point h situé au-dessus du sol, le câble passant ensuite dans une gorge latérale verticale telle que selon la figure 3, pour parvenir au sommet et, par un
raccordement connu, constituer la ligne électrique ou téléphonique L (ou alimenter une lampe d'éclairage urbain ou analogue).
L'homme de métier comprendra que l'invention couvre également les combinaisons des caractéristiques de ces figures non limitatives, énoncées ci dessus.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, et des exemples non limitatifs ci-dessous.
Ces exemples illustrent les modes de réalisation préférés de l'invention, c'est-à- dire des structures tubulaires creuses telles que poteaux, pouvant donc présenter un passage 2 interne concentrique (ou de forme quelconque selon la filière d'extrudeuse employée), permettant par exemple un passage 2 des fils ou câbles dans l'intérieur du poteau, ce qui n'existe pas actuellement, et / ou l'insert d'un renfort 3 dans ledit passage 2 interne, par exemple un renfort 3 en forme de croix, d'étoile, et analogues (que l'on peut par ailleurs obtenir en une seule étape par co-extrusion).
L'invention concerne également le procédé de fabrication de tels poteaux, caractérisé en ce que on extrude la composition de bois polymère telle que définie ci-dessus en employant une extrudeuse portant une filière de sortie de géométrie adaptée pour obtenir la section droite souhaitée, en une seule extrusion ou en deux extrusions de deux moitiés longitudinales du poteau, et autres variantes évidentes, les renforts internes pouvant eux aussi être extrudés.
Ces exemples reposent sur les figures non limitatives annexées et décrites ci dessus.
EXEMPLES :
En extrudant, il est obtenu à l'intérieur (voire à l'extérieur (encoche 5)) de la structure un chemin de câble pour le passage 2 des fils téléphoniques ou électriques L.
Avec la nouvelle technique de fabrication de poteaux (extrudeuse) , on obtient un nouveau poteau en bois polymère et avec un chemin de câble interne 2 ou externe 5 extrudé, ainsi qu'une nouvelle technique de raccordement et de plantation de poteaux téléphoniques et électriques en passant au préalable à l'aide d'une aiguille les câbles téléphoniques et électriques. Ce n'était techniquement pas possible avant (faire un chemin de câble interne dans un poteau bois ou ciment relève du défi).
La nouvelle technique assure une sécurité dans le câblage pour toutes les arrivées et départs aéro souterrains et la suppression de matériel utilisé actuellement (réglette, feuillard, ....)
De préférence : (non limitatif) Taux d'humidité du bois : application d'un système de préchauffage du bois. Plastique propre : utilisation d'un plastique vierge (sous forme de granulats) Déteint aux UN : utilisation d'un additif pour protection des UN. Diamètre à extruder : il existe des machines pour pouvoir extruder jusqu'à un diamètre de 305mm.
L'invention permet de produire à titre non limitatif une gamme tubulaire de 6m à 20m de longueur avec des diamètres de 14cm à 30cm. (cf. détail de la structure sur dessin ci-joint avec plusieurs possibilités) avec deux capuchons.
Le plus, également, est d'obtenir en extrudant plusieurs chemin de câble sur la longueur pour pouvoir passer à l'intérieur des câbles dans les parois lubrifiées au préalable ou pas dans la structure même du bois polymère (pour les arrivées aéro souterraines)
Deux possibilités :
- soit le câble enterré (le coude de l'arrivée du souterrain) est assez profond (enfouissage supérieur à 1.4 m) et le câble pénètre dans le poteau directement à la base B du poteau
- soit le câble enterré (le coude de l'arrivée du souterrain) n'est pas assez profond (inférieur à 1.4 m) (le cas le plus fréquent) donc système de raccord par le flanc H ou h du poteau avec passage 2 du câble avec une aiguille.
Gain : suppression (sauf cas non préféré de l'encoche 5) des câbles téléphoniques et électriques sur la longueur extérieure du poteau (sécurité, esthétique et économie du matériel et de la main d'œuvre nécessaire à la pose des câbles extérieurs (réglette, feuillard, ....)
Il est possible de faire des poteaux pleins qui peuvent être utilisés pour les poteaux dit stratégiques (passage de route, poteaux en courbe ...)
Les règles d'ingénierie actuelles (hormis pour les arrivées des câbles enterrés) seront appliquées (accrochage des câbles, des PC, profondeur des poteaux etc..) , y compris pour le remplacement des poteaux doubles (couple ou moisé) par un poteau bois polymère d'un diamètre supérieur.
Compte tenu des pressions des autorités publiques de plus en plus fortes (Commission européenne) sur l'utilisation des produits de traitement du bois dits « ACC » et de la difficulté de trouver un produit avec un rapport qualité prix équivalent, les opérateurs de téléphonie devraient utiliser cette solution alternative avec un grand avantage.
Rappel : le bois polymère se travaille comme le bois et avec les même outils.
Les produits visés sont : (exemples non limitatifs) - Le poteau téléphonique 6.25m, 7m et 8m (diamètre 14cm + / - ) - Le poteau électrique de ligne - Le poteau éclairage public - Le pylônet de téléphonie aux normes GSM et UMTS de 10m, 15m, 20 m voir jusqu'à 30 m (diamètre jusqu'à 30 cm voire plus)
Le poteau téléphonique : avantage de la suppression des ACC (15 millions de points de pollution en France), structure plus légère, rigidité supérieure, meilleure longévité (plus que doublée), suppression d'échardes, choix de la couleur plus chemin de câble interne (sécurité du câblage).
Les objectifs atteints sont suppression de la pollution, longévité du produit, et amélioration de la sécurité (manutention plus facile, suppression de l'accès direct au câble téléphonique ou électrique pour les personnes non habilitées grâce au chemin de câble interne ascension sûre (chaque année, plusieurs morts et multitude de blessés suite à une rupture du poteau).
De plus, un Groupe réputé comme France Télécom qui a pris conscience du problème en termes de responsabilité et alloue à un marché d'expertise « poteaux » plus de 5 millions d'euros par an, plus le remplacement préventif et curatif de 300 000 poteaux par an. Ceci démontre bien l'énormité du besoin, son caractère notoirement reconnu et aigu, et l'absence de solution actuelle.
Le poteau électrique : mêmes avantages que le poteau téléphonique. Sur la partie pollution, pour les poteaux bois et pour les poteaux béton dans une moindre mesure.
Le poteau d'éclairage public : alternative à ce qui existe déjà avec un design bois et un pré-câblage à l'intérieur du poteau.
Le pylônet GSM et UMTS : pré-câblage à l'intérieur du pylônet. Structure plus légère, moins encombrante au sol (comparé aux pylônes treillis et haubanés), meilleure intégration dans le paysage urbain (apparence, couleur).
Le pourcentage de matière utilisé varie en fonction de la hauteur du tube. Il existe des licences d'utilisation (par exemple Strandex).
À titre d'exemple, il est le suivant pour une hauteur inférieure à 10m : 70% granulats bois ou 60 % granulats bois
27.5% granulats HDPE 37.5% granulats PVC , PE
2.5% additifs 2.5% additifs ou encore 60% granulats bois
37% granulats polypropylène 3% additifs (2,5% MAPP : polypropylène maléaté + 0,5% additifs autres)
Pour une hauteur supérieure à 10m, le pourcentage HDPE, PVC, PE est augmenté jusqu'à 50 % voire plus.
Rappel : Le faible coût (recyclage) de la matière première nécessaire à la réalisation de ces produits couplé aux subventions d'investissement (recyclage et pollution) permet d'avoir une gamme de produits à prix compétitifs tout en respectant les normes environnementales.
L'invention couvre également tous les modes de réalisation et toutes les applications qui seront directement accessibles à l'homme de métier à la lecture de la présente demande, de ses connaissances propres, et éventuellement d'essais simples de routine.