Brevet FR2473108A1 — publié le 19810710

Charges inorganiques de scellement cartouches et procédés correspondants d'ancrage de boulons et tiges de soutànement. La présente invention concerne des charges inorganiques de scellement, ainsi que des cartouches et des procédés d'ancrage de boulons et tiges de soutènement. Dans le domaine de la consolidation des galeries de mines ou de travaux publics, notamment percées en terrain instable, on utilise la technique de scellement de tiges ou boulons dans des trous forés. On connaît deux types de charges de scellement, les charges à base de résines thermodurcissables (de polyester insaturé, de polyuréthanne) et des charges inorganiques. Les charges à base de résines de polyester présentent certains inconvénients notables, comme par exemple le dégagement de vapeurs toxiques dans les galeries, et les risques d'inflammation des constituants. Le prix de revient de ces résines est, de plus, élevé. On a donc cherché à préparer des charges inorganiques présentant les mimes caractéristiques de prise rapide que les résines de polyester, mais ininflammables et ne dégageant-pas de vapeurs toxiques, présentant une longue durée de conservation et un prix plus faible. On connait ainsi des charges inorganiques à base de plâtre, de silice et de silicate de sodium. On connatt de plus des cartouches pouvant contenir de telles charges, -ces cartouches étant formées de deux récipients dont l'un contient une solution aqueuse de silicate contenant la silice en poudre sous forme d'une suspension, et dont l'autre contient le plâtre. La technique d'utilisation de ces charges et de ces cartouches consiste à placer lesdites cartouches dans le trou de forage et à introduire ensuite la tige à sceller en rotation. Cette tige brise la cartouche, et on réalise ainsi un mélange dans le trou même de forage. Cependant, on a constaté que ce mélange in situ n'était pas homogène, ou du moins que son homogénéité était tout à fait perfectible. On connaît d'autre part des charges inorganiques à base de ciment, ainsi que des cartouches adaptées A type de charges. On connaît, par exemple, des charges inorganiques à base de ciment enfermées dans un récipient perméable à l'eau, par exemple du type buvard. La mise an oeuvre de telles cartouches implique l'immersion préalable dans l'eau afin d ' obtenir u n e imprégnation d u- ciment par l'eau, après quoi, on introduit la cartouche dans le trou de forage, avant d'y introduire la tige à sceller.On connaît également une charge à base d'un ciment et d'un liquide organique non réactif vis h-vis du ciment. La cartouche correspondante se compose de deux récipients, l'un contenant le ciment et le liquide organique non réactif, et l'autre contenant de l'eau et des additifs tels que des accélérateurs, des charges, etc. Cette cartouche est destinée à entre introduite telle quelle dans le trou de forage et à être déchiquetée par l'introduction de la tige. ta présence d'un liquide organique non réactif est nécessaire pour l'obtention d'une consistance de "bouillie" avec le composant du type ciment.De plus, ce composant lorsque la cartouche est déchiquetée, se transforme en un mastic et la composition, du fait de la présence du liquide organique, présente des inconvénients qui la rendent comparable aux charges organiques classiques (toxicité, etc.). On a donc cherché des charges inorganiques conduisant à un mélange tout à fait homogène, et ne présentant pas les inconvénients des charges précitées. Selon l'invention, on utilise une charge à deux composants. Le premier composant consiste en un liant hydraulique et en un sable siliceux sec. Comme liant hydraulique, on citera par exemple les ciments Portland, les ciments Prompt,obtenus par cuisson d'un calcaire argileux naturel, les. ciments alumineux (fondu), le platre, l'anhydrite soluble, la chaux. On notera cependant qu'on peut utiliser n'importe lequel des liants hydrauliques connus. Comme sable siliceux sec, on utilisera un produit dont la granulométrie sera de préférence continue et basée sur les règles de Faury. On assure ainsi au mortier une compacité optimale. Le second composant consiste en une solution et/6u suspension aqueuse, ou en eau. Cette solution et/ou suspension aqueuse consistera de préférence en eau contenant des adjuvants en poudre et/ou liquides, solubles et/ou insolubles. Dans le cas dkn ciment, ces adjuvants seront de préférence les suivants - des plastifiants (additifs en poudre qui améliorent la plasticité du mortier, par exemple : bentonite, chaux grasse, kieselguhr, etc.); - des fluidifiants (additifs qui permettent une défloculation de la pâte, une libération des bulles d'åir et, surtout, ce qui est important, une réduction de la quantité d'eau nécessaire au gâchage; on citera, par exemple, le lignosulfonate de calcium) ; - des accélérateurs de prise et/ou de durcissement des ciments; à ce sujet, on notera que, d'une manière générale, les substances qui augmentent le-pH de la solution ont tendance à accélérer la prise (par exemple substances alcalines, carbonate d'snmonium, carbonate de sodium, carbonate de lithium, chlorure de calcium, chlorure de sodium, sulfate de sodium, sulfate dé potassium, etc.) - éventuellement des retardateurs de prise et des émulsions aqueuses de polymères. ou de copolymères, ou encore des solutions de silicate de soude et/ou de potassium. Naturellement, la prise de la charge résultera du mélange des deux composants précités. A cette fin, selon l'invention, on a conçu une cartouche adaptée dont les caractéristiques sont les suivantes. Cette cartouche consiste en une gaine extérieure souple imperméable à l'eau (par exemple polyéthylène haute ou basse densité, ou papiers enduits de résines, ou complexes papier-aluminium ou complexe matière thermo plastique-aluminium),et en un élément intérieur susceptible astre cassé à la main ou à la machine > résistant et imperméable à l'eau et aux solutions et suspensions aqueuses, e t ne dégradant pas l'enveloppe ou gaine thermoplastique extérieure au moment de sa destruction. Ainsi, les polyamides ne conviennent pas en raison du fait qu'ils ne résistent pas à l'eau, et le verre est moins préféré en-raison du fait que, lors de la. destruction de l'élément interne, les fragments sont susceptibles d'endommager ou de perforer la gaine extérieure. Comme élément interne, on citera par exemple un tube. La gaine extérieure et le tube interne délimitent deux volumes concentriques sans aucune communication entre eux, directe ou indirecte. La géométrie de la cartouche n'est naturellement pas limitée à la forme tubulaire précitée, comme le comprendra llhomme du métier. ta matière constitutive de l'élément interne pourra être thermoplastique (acétate de cellulose 2 polystyrène "cristal", polymères chargés de charges minérales, ou synthétiques, par exemple polypropylène chargé de talc ou polyéthylène chargé de craie, etc.) ou non (matières céramiques, ou meme verre à condition pouvoir opérer dans des conditions de sécurité totale, etc.). Dans le cas de la géométrie tubulaire préférée le tube interne peut entre fermé à chacune de ses extrémités par deux opercules, bouchons de caoutchouc, etc. la fonction de ces opercules est de fa ci- liter le chargement et la fabrication de l'élément et d'assurer une absence totale de contact entre les deux composants de la charge, chacun d'entre eux étant contenu dans un des volumes précités. De manière préférée, le mélange pulvérulent sec à base d'un liant hydraulique et de sable siliceux sera placé a I'intérieur du volume interne délimité par le tube. D'autre part2 la solution et/ ou suspension aqueuse constituant le second composant de la charge sera placée dans le volume compris entre la gaine externe et le tube interne. L'homme du métier comprendra que lton peut envisager sans aucune restriction la disposition inverse équivalente, c'est-à- dire solution/suspension. aqueuse placée dans le volume interne, et mélange sec dans le second volume. Dans ce qui suit nous ne décrirons que la première variante mais sans que cela présente un caractère limitatif. - La mise en oeuvre des cartouches selon l'invention comprend les opérations suivantes. Dans un premier mode de mise en oeuvre, on exerce des contraintes mécaniques, la main ou à la machine2 sur ladite cartouche avant de l'introduire dans le trou de forage. On brise ainsi le tube interne (dont'l'épaisseur et la résistance mecanique doivent par conséquent être adaptées et suffisamment faibles), ce qui a pour effet de provoquer le mélange des deux composants. On introduit ensuite, après environ 20 - 40 s, la cartouche dans le trou de forage, puis on enfonce la tige en rotation, ce qui déchiquette la cartouche dont la charge se répand et scelle la tige. On obtient un scellement remarquablement homogène. Dans une variante, on peut, dans un premier temps, ittser tabe la testa e et réaliser le mélange des deux composants comme indiqué dans le premier mode de mise en oeuvre, après quoi3 au lieu d'introduire la cartouche dans le trou de forage, on découpe l'une des extrémités de la gaine souple externe et on injecte directement, par compression de la gaine ou en en chassant le contenu par un système à piston, le mélange dans le trou de forage2 après quoi on place la tige à sceller. On voit que dans ce cas on peut introduire la tige sans qu'elle soit en rotation. Ainsi, la cartouche selon l'invention, et la charge qu'elle contient, sont utilisables aussi bien lorsqu'il est nécessaire d'introduire la tige animée d'un mouvement de rotation que lorsqu'il est préférable de l'introduire sans mouvement de rotation. Il n'existait pas jusqu'à présent de cartouches s'adaptant à ces deux types d'utilisation. D'autres caractéristiques et avantages de l'inventlon seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre et en se référant au dessin annexé, sur lequel - la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'un mode de réalisation préféré mais non limitatif de la cartouche selon l'invention ; et - la figure 2 représente une vue en coupe A-A de la cartouche représentée sur la figure 1. Sur les figures 1 et 2, les mêmes références ont les significations suivantes - 1 : gaine souple externe imperméable à l'eau - 2 : élément interne cassant, imperméable à l'eau - 3 : opercule d'étanchéité - 4 : mélange pulvérulent sec contenant un liant hydraulique ; et - 5 : solution et/ou suspension aqueuse. Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois en limiter la portée. EXEMPLE 1 On utilise une cartouche selon l'invention telle que représentée sur la figure 1 et la figure 2. Le tube (2) contient le mélange pulvérulent sec dont la composition est donnée ci-dessous Pourcentages pondéraux Sable extra-siliceux sec (granulométrie de 0,075 à 0,400 mm) - par exemple : "NE34" de la Société SIFRACO 12 ,5 % Sable de quartz sec > (S) (granulométrie de 0,150 à 1,680 mm) - par exemple : "25.16" de la Société SIKA 7,5 % (A) Sable de quartz sec (granulométrie de 0,420 à 2 mm) - par exemple : "16.14.2" de la Société SIKA 30 % Ciment "Prompt" (VICAT) # (C) 25 % Ciment alumineux "Fondu" (lAFARGE) J 25 % (De -manière générale, on peut choisir les proportions de (S), et (C), respectivement, entre 70 et 50 %, et 30 et 50 %, en poids, environ). L'espace annulaire-(5) contient la solution aqueuse de composition suivante-: - Eau. - Accélérateur de prise : on a choisi le carbonate de lithium qui présente un net effet sur le ciment "Fondu" à raison de 0,20 % par rapport au liant hydraulique. On rappellera que le ciment "Fondu" est caractérisé par une prise lente et un durcissement très rapide. - Rapport : Eau/ciment = 0,35. (De manière générale, ce rapport sera de 0,375-0,325 environ). Remarques a) Si, dans la formule du mortier sec ci-dessus, on remplace la totali.té du ciment "Prompt" par du ciment "Fondu", on obtiendra, pour la même consistance, un rapport eau/ciment plus faible, ce qui n'est pas sans intérêt du point de vue de la résistance mécanique de l'ancrage (on peut ainsi atteindre dans l'exemple considéré, un rapport eau/ciment de 0,28). Ce rapport sera de l'ordre de 0,325-0,235 dans le cas général. b) Si, dans la formule du mortier sec ci-dessus, on remplace la totalité du ciment "Prompt" par du ciment "Fondu", on met en évidence le rôle joué par le carbonate de lithium sur la prise du morutier, selon le tableau suivant ( 2) (2) Sable (A) 50 g 50 g 50 g Ciment "Fondu" 50 g 50 g 50 g Eau 17,5 g 17,5 g 17,5 g Carbonate de lithium - 0,05 g 0,25 g Temps de prise 2 à 3 h 4 à 5 min 1 min 30 s à 2 min 30 s c) Comme il a été dit plus haut, on obtint les mêmes résultats en inversant la disposition des deux composants dans les deux volumes de la cartouche. On fore un trou de boulonnage, par exemple de diamètre 32 mm. On prend la cartouche décrite ci-dessus dans les mains, et l'on brise radialement sous les doigts le tube intérieur (2) sur toute sa longueur. Ceci provoque rapidement la pénétration de la solution et/ou suspension aqueuse dans le mortier sec initialement contenu dans ledit tube.On attend environ 30 s > afin que l'hydratation soit maximale puis on introduit une ou plusieurs cartouches ainsi traitées dans le trou de forage.- te scellement peut s'opérer par une opération concomitante de translation et de rotation du boulon (par exemple : tige nervurée type "WEMA"; diamètre 20 mm) à travers les charges de scellement, au moyen d'une perforatrice, par exemple type MEUDON 860 P (Maco Meudon) la poussée étant de 90 kg et la vitesse de rotation 800 à L200 tr/min. On peut choisir un couple de rotation de 7 m.kg. On arrête la rotation lorsque le boulon atteint le fond du trou. La prise et donc la tenue autonome du boulon s'effectuent avec un cycle total de boulonnage de 90 à 120 s depuis l'instant où l'on casse le tube thermoplastique interne de la cartouche. Si l'on souhaite opérer selon la variante de mode opératoire consistant à injecter le mélange directement dans un trou de forage, on utilisera de préférence une formulation telle que celle correspondant à la colonne (2) de la remarque b) indiquée ci-dessus. On a ainsi obtenu, même sans rotation, d'excellents résultats. EXEMPLE 2 On a repris l'exemple 1 en remplaçant la composition de sables (S) par la composition suivante - Sable RS (granulométrie 0,100 - 0,8 mm) 30 % - Sable "16.14.2" (granulométrie 0,5 - 2,5 mm) 10 % - Sable "14.10" (granulométrie 1,6 - 5 mm) 60 7. (en poids) et en utilisant le mélange (C) de ciments. On a obtenu des résultats tout à fait comparables. tes avantages de'l'invention apparaissent à la lecture de ce qui précède. Les produits étant inorganiques, ils sont moins inflammables, moins toxiques et, de plus, moins coûteux, par rapport aux charges de résines thermodurcissables (polyester insaturé. Il n?est pas nécessaire de realiser -un prédosage des produits. Aucun problème de nettoyage ne se pose. Le fait que les adjuvants soient inclus dans la phase liquide permet une plus grande squplesse d'utilisation par exemple, on évite d'introduire des additifs au sein du mortier sec, car ces additifs pourraient éventuellement compromettre î1apti- tude au stockage (un tel inconvénient a été rencontré dans l'état de la technique).La souplesse de mise en oeuvre est très grande, puisque l'on peut introduire la tige sans rotation, ou bien à une vitesse de rotation relativement faible, de l'ordre de 125 tr/min, ou encore à une vitesse de rotation élevée, par exemple de l'ordre de 1000 tr/min. On peut sceller des boulons avec des espaces -annu- laires plus importants que ceux classiquement utilisés avec les charges de scellement à base de résines polyesters insaturés, et on notera encore que, selon l'invention, il n'est pas nécessaire d'appli quel un couple de rotation élevée. Naturellement, il est tout à fait possible d'envisager une automatisation et une mécanisation du scellement, une rupture préalable du tube cassant interne étant réalisée) tandis que, simultanément, la machine scelle un boulon, L'homme de l'art pourra apporter des modifications aux exemples non limitatifs qui viennent autre décrits} et, ce, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Cartouche de scellement pour l'ancrage de boulons ou tiges de soutenement, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une gaine externe souple et d'un élément interne cassant, un premier volume étant défini par l'élément interne et un second volume étant défini entre 1 ' élément interne et la gaine externe, un mélange pulvérulent sec à bese dlun liant hydraulique et d'un sable siliceux sec étant contenu dans le premier volume, tandis qu'une solution et/ou- suspension aqueuse est contenue dans le second volume, ou inversement, la gaine et la paroi de l'élément étant résistants et imperméables à l'eau, et l'élément interne empe- chant tout contact entre le mélange pulvérulent et la solution et/ou suspension aqueuse. 2. Cartouche selon la revendication 1, caractérisée en ce que la gaine externe est constituée par une matibre thermoplastique ou non. 3, Cartouche selon la revendication 2, caractérisée en ce que la gaine externe consiste en polyéthylène haute ou basse densité, en papier enduit par une résine, ou en un complexe papier-aluminium ou matière thermoplastique-aluminium. 4. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'élément interne définissant ledit premier volume présente une forme tubulaire qui peut être d'une seule pièce ou fermée aux deux extrémités par un opercule. 5. Cartouche selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit élément tubulaire consiste en un cylindre cassant dont la matière constitutive est thermoplastique ou non, et peut & re choisie parmi l'acétate de cellulose, les polymères chargés de charges minérales ou synthétiques, comme le polypropylène chargé de talc ou le polyéthylène chargé de craie, les matières céramiques, le verre, et le polystyrène "cristal". 6. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit mélange pulvérulent sec a base d'un liant hydraulique et d'un sable siliceux sec consiste en un liant hydraulique choisi parmi les ciments "Portland", les ciments "Prompt", les ciments alumineux "Fondu", le plâtre, l'anhydride soluble ou la chaux, et en un sable siliceux sec dont la granulométrie est de préférence continue et basée sur les règles de Faury. 7. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ladite solution et/ou suspension aqueuse consiste en de l'eau contenant des adjuvants en poudre et/ou des adjuvants liquides, solubles et/ou insolubles. 8. Cartouche selon la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits adjuvants consistent en plastifiants, et/ou fluidifiants, et/ou accélérateurs de prise et/ou de durcissement des ciments, et/ou en retardateurs de prise et en émulsions aqueuses de polymères ou de copolymères, et/ou en solutions de silicate de soude et/ou de potassium. 9. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que ledit mélange pulvérulent sec contient, en poids, par rapport à la totalité dudit mélange, de 70 à 50 % de sable(s) et de 30 à 50 % de ciment(s). 10. Cartouche selon la revendication 9, caractérisée en ce que le composant ciment consiste en ciment "Prompt" et ciment "Fondu", le rapport en poids eau/ciment étant de 0,375 à 0,325. 11. Cartouche selon la revendication 9, caractérisée en ce que le composant ciment consiste en ciment "Fondu" seul, le rapport en poids eau/ciment étant de 0,325 à 0,235. 12. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que ledit mélange pulvérulent sec contient, en poids, par rapport à la totalité dudit mélange, 12,5 % de sable extra-siliceux sec de granulométrie 0,075 à 0,400 mm, 7,5 % de sable de quartz sec de granulométrie 0,150 à 1,680 mm, 30 % de sable de quartz sec de granulométrie de 0,420 à 2 mm, 25 % de ciment "Prompt" et 25 % de ciment "Fondu". 13. Cartouche selon la revendication 12, caractérisée en ce que ladite solution aqueuse est formée d'eau, d'un accélérateur de prise qui est le carbonate de lithium, en proportion de 0,20 % par rapport au liant hydraulique, le rapport eau/ciment étant d'autre part de 0,35. 14. Cartouche selon la revendication 13, caractérisée en ce que lton remplace la totalité du ciment "Prompt" par du ciment "Fondu" et en ce que le rapport eau/ciment est alors égal à 0,28. 15. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que ledit élément interne est dimensionné de manière à pouvoir être brisé à la main au travers de la gaine externe souple. 16. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que ledit élément interne est dimensionné de manière à pouvoir être brisé à la machine au travers de la gaine externe souple. 17. Procédé de scellement de tiges et boulons d'ancrage dans des trous de forage, caractérisé en ce que l'on utilise une cartouche selon l'une quelconque des revendications I à 16, dont on brise, par une contrainte mécanique, l'élément interne de manière à réaliser le mélange entre le mélange pulvérulent sec contenu dans l'un des volumes et la solution ou suspension aqueuse contenue dans l'autre volume, après quoi on attend une trentaine de secondes, on introduit la cartouche dans le trou de forage, et on enfonce la tige à sceller animée d'un mouvement de rotation. 18. Procédé selon la revendication 17, caractérisée en ce que l'on applique un couple de rotation de 7 m.kg environ, la vitesse de rotation pouvant être choisie entre 150 et 1200 trimin environ. 19. Procédé de scellement de tiges et boulons d'ancrage dans des trous-de forage, caractérisé. en ce que l'on utilise une cartouche selon l'une quelconque des revendications 1à 16, en ce que l'on exerce sur cette cartouche une contrainte mécanique de manière à rompre l'élément interne pour mélanger le mélange pulvérulent sec contenu dans ledit premier volume et la solution ou suspension aqueuse contenue dans ledit second volume, après quoi on déchire l'une des extrémités de ladite gaine externe de manière à pouvoir ensuite chasser le contenu mélangé de la cartouche dans le trou de forage, la tige étant ensuite introduite dans le trou de forage pour y être scellée, éventuellement sans mise en rotation. 20. Mélange pulvérulent sec pour cartouches selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1, 6, 9, 10, 11, 12 ou-14.