Brevet FR2408717A1 — publié le 19790608

La présente invention concerne des perfectionnements aux procédés actuellement utilisés pour sceller, dans un terrain à consolider, tel que la paroi ou le toit d'une galerie de mine, d'un tunnel ou de tout ouvrage équivalent de travaux publics, un élément,métallique ou non, par exemple en résine de polyester armée de fibres de verre, d'une longueur de l'ordre de 180 à 200 cm au moyen d'une composition de résine synthétique comprenant d'une part ,outre la résine elle-même,des charges fibreuses et/ou Pulvé- rulentes, et d'autre part les additifs chimiques provoquant la prise et le durcissement de cette composition au moment où ledit élément de renforcement est introduit dans un forage pratiqué à cet effet dans ledit terrain. Les procédés de ce type sont connus depuis une dizaine d'années, et les modalités les plus récentes de leur application impliquent par exemple un chauffage préalable de la tige métallique , avant son introduction dans le forage préalablement rempli de la composition résineuse non durcie. De tels procédés sont décrits notamment dans les brevets français de la Demanderesse, nq73 05 477 et 76 08 306. Dans le premier de ces brevets, il est décrit un procédé dans lequel la composition résineuse introduitedans le forage est constituée d'une résine de polyester d'un durcisseur stable a température ambiante et d'un stabilisant, le tout conditionné dans une enveloppe en feuille souple rigidifiée par un filet de matière plastique friable, tandis que l'élément métallique est porté, avant son introduction dans le- forage, à une temperature de l'ordre de 200 C,cette introduction provuquant simultanément la rupture de ltenveloppe rigide, le mélangeage des éléments de la composition et le durcissement de celle-ci autour de l'élément métallique. Dans le second de ces brevets, la composition résineuse peut également être injectée "en vrac" dans le forage, tandis qu'il est précisé que la tige métallique peut etre échauffée superficiellement par passage dans un four électrique à induction, ce qui permet alors d'éviter toute rotation de la tige à sceller, laquelle peut meme etre posée à la main, dans le cas de sections géométriques non cylindriques. Au contraire de ces procédés, la présente invention permet une mécanisation complète de la pose des tiges, tout en évitant toute installation de chauffage préalable des tiges. En effet, il est notoire qu'à l'heure actuelle on utilise pour l'introduction des tiges dans les trous de boulonnage le même matériel que pour le forage même de ces trous, c'est à dire des têtes d'entraînement en rotation, soit des tiges de forage, soit des boulons de soutènement, dont la vitesse est de l'ordre de 5 à 800 t/mn, sans jamais dépasser1000t/mn. Il en résulte que l'énergie thermique susceptible de prendre naissance par le frottement de la tige au contact des charges de la composition de résine au moment de l'introduction de cette tige, déjà préalablement échauffée à la température de durcissement de la composition,est si faible qu'elle n'intervient pas dans ce phénomène, et n'a donc aucunement été mise à profit dans la formulation de ce type de composition. Au surplus, ce type de composition possède des propriétés thixotropiques et,par suite de la diminution de sa viscosité sous l'action de l'agitation provoquée par l'introduction de la tige, sa viscosité diminue et par conséquent, à fortiori, l'énergie de frottement transmise à la tige diminue également. Il apparaissait donc exclu de mettre à profit , et même de prendre en considération(un phénomène thermique quelconque lié à cette énergie pour participer au déclenchement du durcissement de la résine, ce qui semblait donc imposer ce chauffage de la tige préalablement à son introduction dans le trou de mine. Or, en lAabsence d'un matériel industriel commercialisé susceptible de créer le phénomène , des expériences pratiquées sur un matériel pilote ont permis de constater que, si l'on introduit dans des compositions résineuses contenant certaines proportions de charges abrasives stables et de catalyseur, et confinées dans des trous de mines, des tiges métalliques non échauffées au préalable, mais portées à une vitesse de rotation très supérieure re aux vitesses usuelles précitées, par exemple de 2 à 3 fois supérieures, c'est à dire de 1600 à 3 000 trous/nn,malgré le phénomène de thixotropie précité, l'énergie thermique résultant du frottement de la tige sur lesdites charges provoque l'échauffe- ment de la tige à un point tel que la réaction de durcissement catalytique est amorcée, et que la prise de la composition, assurant le scellement de la tige, intervient dans les mêmes délais que par introduction de la tige préchauffée La présente invention vise donc, en premier lieu, un procédé nouveau pour la pose des tiges de scellement, du type défini plus haut, consistant à introduire dans un forage une composition résineuse thermodurcissable, puis une tige métallique destinée à être scellée dans ce trou par durcissement thermique de cette composition, la caractéristique de ce procédé résidant dans le fait que ladite tige est introduite dans le forage avec une vitesse de rotation provoquant, au contact des charges de la composition résineuse, son échauffement jusqu'à la température de durcissement de ladite composition. Bien entendu, le choix de la nature et des proportions des charges, ainsi que du catalyseur, seront à apprécier en fonc- tion de la vitesse de rotation de la tige et des dimensions relatives de la tige et du forage. Cependant il a été constaté que les effets abrasifs du sable de quartz venaient avantageusement compléter ceux des charges usuelles telles que notamment la craie, utilisée dans les proportions usuelles, c'est à dire de l'ordre de 50t de la composition. L'invention vise donc , dans une composition destinée à l'application dans le procédé précité, l'introduction, au titre de charge contribuant à la création de l'effet thermique recherché, de sable de quartz à raison de 25 à 30% en poids. Enfin, la mise en pratique de l'invention peut bien entendu faire usage de compositions résineuses présentées en charges pré--conditionnées,telles que décrites au brevet français 73 05 477 précité. Toutefois, il est encore beaucoup plus simple d'opérer en utilisant l'injection de compositions "en vrac" ,telles que décrites au brevet français 76 08 306. Dans ce cas, le procédé ,selon un mode de réalisation de l'invention, peut être mis en oeuvre selon un processus tenant compte des impératifs géométriques et mécaniques liés à lanature de l'opération : en effet, il convient de considérer qu'il s'agit de sceller, axialement dans un forage de 2 mètres de profondeur environ, sur un diamètre d'environ 20-25 mm, une tige de même longueur,d'un diamètre inférieur de 4 mm seulement, et cela au moyen d'une charge de résine injectée au préalable et qui, en fin d'opération, doit remplir exactement la totalité de l'espace restant libre du forage. A cet effet, pour parvenir à ce résultat de façon pratiquement idéale, le procédé selon l'invention comporte en fait quatre étapes Première étape Dans le forage, on injecte en vrac, un volume de composition résineuse telle que précisée ci-après en remplissant environ 35 à 45% GU fond de la longueur du forage. Seconde étape Dans le forage ainsi partiellement rempli, on introduit, sans rotation, la tige à ancrer dans le terrain de manière que 50% de sa longueur soit "mouillée" par la composition. Troisième étape On fait alors subir à la tige une rotation sur elle-même à t 6003 000 t/mn sur une période de 15 à 60 secondes,cequi provoque à la fois son échauffement, une centrifugation de la résine sur les parois du forage et l'amorce de sa polymérisation. Quatrième étape Sans interrompre la rotation , sur les 5 à 30 secondes suivantes, on achève l'enfoncement de la tige jusqu'au fond du forage, de manière telle que, quand la tige sera complètement enfoncée,la résine refoulée sur sa périphérie atteindra l'embouchure du forage, et aura également achevé sa polymérisation en assurant l'ancrage définitif de la tige. Au titre d'exemples, on décrira ci-après trois formules adaptées à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Ces formules comportent chacune une certaine proportion d'une composition de résine telle que définie ci-après , et qui sera désignée par la suite par "MATRICE". - Résine de polyester insaturée 100 parties en poids - Silice colloïdale 1,5 parties en poids - Catalyseur:perbenzoate de tertio butyle 1 partie en poids - Inhibiteur:2,6-ditertiobutyl-paracrésol 0;1 partie en poids Comme résine de polyester non saturée, on peut utiliser à titre équivalent les produits vendus en FRANCE sous les marques commerciales UKAPON 77 064 ou UKAPON T 120 S1(Ugine-Kuhlmann), NORSODYNE 904,905 ou 907 (CDF-Chimie). Comme catalyseur, on peut utiliser des quantités équivalentes de péroxyde de bitertiobutyl-11-cyclohexane ou de peroctoate de tertiobutyle, ou de tout autre catalyseur améliorant la stabilité de la composition vis à vis des impuretés naturelles des charges minérales. En revanche, l'inhibiteur précité est préférable, notamment à ceux du type hydroquinone, eu égard aux essais de vieillissement pratiqués sur la composition . La dose de 1 000 ppm indiquée peut d'ailleurs être abaissée jusqu'à 500 ppm compte tenu de la réactivité de la résine. Les deux formules selon Invention ont été soumises ù des essais de mise en place d'un boulon d'un diamètre de 18 mm sur une longueur de 1 mètres dans un tube métallique simulant un forage de 22 mm de diamètre, et les résultants sont les suivants: Formule n01 MATRICE 65 parties en poids (20,31g) Craie 6 Y 100(OMYA) 153 parties en poids (4781ex) Sable de quartz ref.16.14.2(SIKA) 102 parties en poids t31,88ea). - Viscosité à 200C : 870 poises - Tige introduite pendant 90 secondes au total, à 1 600 t/mn pendant la rotation - Viscosité au bout de 5 à 20 secondes : 380 poises - Temps de prise : 30 secondes Formule n02 MATRICE 60 parties en poids (19,OS) Craie 6 Y 100 153 parties en poids (48,57e) Sable de quartz 16.14.2 102 parties en poids (32,385) - Viscosité à 200C : 1 000 poises - Tige introduite pendant 60 secondes, à 1 600 tours /mn pendant la rotation - Temps de prise : 30 secondes Formule n03 MATRICE 55 parties en poids (17,74z) Craie 6 Y 100 153 parties en poids (49,35) Sable de quartz 102 parties en poids (32,90) - Viscosité à 200C : i 300 poises - Tige introduite pendant 55 secondes au total à 1 600 t/mn pendant la rotation - Viscosité au bout de 5-20 sc. : 475 poises - Temps de prise : à l'issue de la période de rotation. Notes 1) la craie "qualité 6 Y 100 (OMYA)" répnnd aux spécifications suivantes - particules inférieures à t50 microns 100% - particules inférieures à 50 microns 50 - particules inférieures à 5 microns 30 2) le sable de quartz "ref.16.14.2(SIKA)" répond aux spécifications suivantes - particules inférieures à 2 500 microns 100% - particules inférieures à 1 250 microns 62 - particules inférieures à 500 microns 0,5 3) le sable de quartz exacerbe l'effet thermique, et le mélange craie + sable est calculé de façon à ce qu'on soit le plus près possible de la courbe optimale de remplissage ce qui permet d'introduire au sein de la MATRICE des taux de charges minérales plus importants tout en bénéficiant d'une viscosité relativement basse, ce qui facilite l'injection du produit. 4) Si, au lieu d'injecter directement le produit, on le conditionne en gaines plastiques, il peut être avantageux d'introduire dans la formule des agents épaississants (chaux, magnésie, chlorure stanneux etc..), qui relèvent la viscosité du produit jusqu'à une valeur sensiblement constante. 5) la durée des étapes 3 et 4 du procédé se-a dtautant plus courte que la vitesse de rotation sera élevée. 6) au lieu de charges uniquement minérales, il est possible d'Ln- troduire dans les formules des matériaux tels que des fibres de bois ou d'aminate, augmentant l'auto-échauffement sans affecter les propriétés rhêologiques de la composition. Bien entendu, l'invention est susceptible de nombreuses variantes dans sa mise en oeuvre, en fonction des dimensions et des conditions de mise en place des éléments de renforcement. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la pose des boulons de soutènement dans les gahe- ries de mines et les ouvrages de travaux publics, du type dans lequel on pratique dans la paroi à renforcer un forage de grande longueur, on introduit dansce forage une composition résineuse thermodurcissable,puis une tige métallique de même longueur que le forage et destinée à être scellée dans le forage par dur cissement de la composition,caractérisé en ce que ladite tige est introduite dans le forage partiellement rempli de composi tion de résine avec une vitesse de rotation provoquant,au contact des charges de la composition, son échauffement jusqu'à la tem pératures de durcissement de la composition. 2. Procédé selon la revendication 1,caractérisé en ce que la compo sition contient comme charge environ50 de craie et envirnn 30% de sable de quartz. 3. Procédé selon l'unedes revendications 1 et 2,caractérisé en ce que la vitesse de rotation de la tige au moment de son intro duction est de 1 600 à 3 000 t/mn. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,caracté risé en ce qu'il comprend quatre étapes successives,à savoir - dans la première étape on injecte en vrac la composition ré sineuse dans le forage,de manière à remplir 35 à 45% du fond de celui-ci - dans la seconde étape , on introduit, dans le forage partielle ment rempli , la tige à sceller,de manière qu'environ 505 de la longueur soit "mouillée"par la résine - dans la troisième étape on imprime à la tige une rotation de 1600- 3000 t/mn sur une période d'environ 15 à 60 secondes. - dans la quatrième étape on poursuit ladite rotation jusqu'à achèvement de la polymérisation de la résine,en achevant d'en foncer la tige jusqu'au fond du trou. 5. Procédé selon. la revendication 4,caractérisé en ce que dansla seconde étape,on introduit dans le forage la tige à sceller en rotation. 6. Procédé selon la revendication 4,caractérisé en ce que dans la seconde étape,on introduit dans le forage la tige à sceller sans rotation.