Brevet FR2486090A1 — publié le 19820108

L'une des activités principales des entreprises de fondations spéciales, branche des travaux publics, consiste à faire une cavité dans le sol et à y sceller, en général à l'aide de ciment, une pièce rapportée ou même à y disposer directement du ciment. La plupart du temps, la rencontre de la nappe phréatique risquant de provoquer l'éboulement du trou conduit à utiliser deux méthodes de perforation soit en blindant le terrain mécaniquement soit en utilisant un fluide de soutènement. L'objet du présent brevet est de décrire une nouvelle méthode permettant de réaliser un trou ou une excavation avec un fluide de soutènement et d'obtenir un produit fini comportant tout ou partie de ciment. A titre indicatif, ceci concerne le scellement de tirants ou de micro-pieux dans les forages de petit diamètre, la réalisation des pieux moulés ou préfabriqués, la réalisation des parois moulées bétonnées ou préfabriquées, la pose d'ouvrages en souille sous la nappe tels que égouts, la réalisation de tunnel à la boue, etc... A l'heure actuelle toutes ces méthodes, consistant à utiliser un fluide pendant la perforation, lequel fluide comportera tout ou partie de ciment au stade final, peuvent se classer en deux catégories. - la première catégorie consiste à utiliser, pour la perforation, le meme fluide à base d'un mélange de bentonite et de ciment et à le conserver au stade final, - la deuxième catégorie consiste à utiliser, pour la perforation, un fluide composé de boue bentonitique et à n'envoyer le ciment qu'une fois la phase perforation terminée. Dans la première catégorie, on conçoit que le fait d'utiliser pour la perforation le meme produit que le produit final est une simplicité alléchante. Malheureusement, il y a deux inconvénients non majeurs sur le plan technique mais qui grèvent, par contre, la rentobilité économique du procédé. D'une port, pour éviter la prise de ce mélange bentonite-ciment, il faut aller très vite ou le retarder par des additifs, ce qui provoque de nombreux aléas. D'autre part, ces coulis bentonite-ciment sont relativement perméables avant la prise et s'essorent, ce qui provoque des surconsommations et des phénomènes de mise en ploce. La deuxième catégorie, qui consiste à perforer d'abord avec un fluide ne faisant pas prise, généralement de la bentonite, et à le remplacer ensuite par le coulis faisant prise soit par une substitution soit par perfusion, c'est-à-dire mélange in situ de la bentonite existante et du coulis de ciment rapporté à l'aide de jets ou d'air lift, n'est pas une méthode sûre et amène de graves décomptes techniques dus à l'incompatibilité physique du mélange bentonite et ciment. En effet, comme cela sera développé plus loin, il se produit, au moment ou on met du ciment en contact avec la bentonite, un épaississement tellement important que de la bentonite non mélangée reste emprisonnée au milieu du produit final ce qui nuit à sa résistance. L'objet du présent brevet est de proposer une METHODE MIXTE consistant à utiliser pour la perforation une boue de bentonite chimiquement traitée de façon qu'au stade ultérieur de l'introduction du ciment, il n'y ait plus cet épaississement et qu'ainsi le fluide de perforation puisse être évacué complétement ou mélangé intimement au coulis final sans qu'il y ait de résidus non résistants. Pour faire comprendre le processus, il suffit de suivre le diagromme de la figure 1 qui représente l'évolution de la viscosité mesurée au cane Marsh d'un coulis de bentonite pure c'est-à-dire d'un silico aluminate auquel on ajoute progressivement du ciment. Pour plus de clarté, sans que cela nuise à la généralité de l'explication, ce graphique a été gradué à titre d'exemple pour une certaine bentonite Y et un ciment X. On remarque qu'il faut, en l'absence de ciment,efl c'est-o-dire pour la perforation habituelle, 50 kilogs de bentonite ce qui permet d'atteindre une viscosité Marsh de 40 à 50 secondes admise génralement comme nécessaire à la perforation pour la mise en suspension des sédiments et la tenue des terres. Or, lorsqu'on ajoute de faibles quantités de ciment, en général moins de 50 kilogs au mètre cube, il se produit un épaississement qui, avec ce dosage initial de bentonite stristement nécessaire à la perforation, va jusqu'au gel. On conçoit que, Si ceci se passe sous terre en dehors d'un puissant engin de malaxage, il est impossible de déplacer la bentonite et a fortiori de la mélanger au ciment même si le coulis de ciment ou de bentonite-ciment ajout est beaucoup plus lourd. A titre d'exemple, il arrive qu'on constate ce phénomène même lors de remplacement complet à l'aide de béton comme dans les parois moulées. De la bentonite reste alors accrochée au terrain ou aux armatures et la partie supérieure de béton en fin de forage est complètement polluée et doit être recépée. Il faut rappeler ici que la bentonite seule n'a pas de résistance intrinsèque et qu'il faut la remplacer soit par du ciment pur, soit par un mélange de bentonite ciment qui n'est ni plus ni moins, comme le ciment, qu'un silico aluminate de chaux, la bentonite ajoutée à faible dose au ciment renforçant considérablement ses résistances, son imperméabilité et sa stabilité à la décantation, mais à condition que le mélange soit parfait. A titre indicatif, lorsque les résistances du ciment pur à haute dose ou du béton ne sont pas exigées, on obtient un excellent produit d'environ 10 à 30 bars de résistance à l'écrasement en mélangeant uniquement pour 1 mètre cube d'eau 50 kilogs de bentonite Y et 200 à 300 kilogs de ciment X, point D sur la figure 1. On remarquera que la viscosité Marsh de ce mélange est du même ordre de grandeur que celle nécessaire à la perforation pure et qu'il est tentant d'utiliser la bentonite de forage pour fabriquer ce coulis si ce n'était le passage du pic de viscosité Or, ce pic est dû à l'action de la chaux contenue dans le ciment sur les feuillets de bentonites, action qui a pour effet de coller entre eux les feuillets et de gélifier la structure. Selon nous, l'explication du phénomène, sans que cela nuise au contenu du brevet, serait due à un effet de collage sur la tranche, stabilité instable qui serait détruite par un excès de choux. Si on trace l'allure de la viscosité Marsh en fonction d'un ajout de chaux (fig. 2), on constate que le phénomène est le meme qu'avec le ciment mais avec des quantités moindres, puisque la chaux active du ciment qui réagit sur la bentonite est cinq à vingt fois plus faible que le poids du ciment selon les ciments. On arrive ainsi à l'aide de quelques kilogs de chaux au mètre cube à provoquer un pic de viscosité Marsh plutôt gênant qu'autre chose. C'est du moins ce que croyait tout le monde jusqu'ici y compris les pétroliers bien au courant du phénomène depuis plusieurs décennies parce qu'il leur causait un sérieux problème au moment de la rencontre d'un horizon chaulé naturel ou artificiel par exemple en cas d'une cimentation de tubage. I1 faut dire que l'augmentation de viscosité observée sur cône Marsh n'est pas réellement une augmentation de viscosité mais une augmentation de rigidité, c'est-à-dire de frottement à l'arrêt. On comprend qu'à grande profondeur, cette rigidité empêche la remise en circulation d'un forage à cause des énormes pertes de charges proportionnelles à la profondeur. La solution qu'ils ont trouvée est d'opérer une conversion, c'est-à-dire de passer au-delà du pic en ajoutant de la chaux pour se retrouver dans une zone de viscosité et rigidité plus faible (point C sur la figure 1 ou 2). La nouveauté de l'invention décrite ici est d'opérer aussi une conversion à la chaux mais non pas pour fuir le pic mais au contraire pour se placer dessus et dans sa zone descendante. Evidemment, ceci n'est pas applicable aux travaux pétroliers mois, par contre, est tout à fait adapté aux travaux de surface à faible profondeur ou le frottement dû à la rigidité est négligeable. Tout d'abord puisqu'une viscosité supérieure à 40 ou 50 secondes Marsh est superflue, il suffit de réduire la quantité initiale de bentonite. L'opération est financièrement très rentable puisque, pour obtenir la même viscosité de 40 à 50 secondes, il suffit de diminuer la quantité de bentonite de quelques dizaines de kilogs et de la remplacer par quelques kilogs de chaux ayant le même ordre de prix au kilog. A titre indicatif, sur la figure a avec la bentonite Y on peut remplacer les 50 kilogs de bentonite initialement nécessaire; par 30 kilogs de la même bentonite et quelques kilogs de chaux. Cette opération s'effectuant évidemment sans problème en surface dans un malaxeur au moment de la fabrication du coulis de perforation. Un deuxième avantage est qu'en apportant de la rigidité à ce coulis de perforation, on maintient en suspension des grains de terrain allant jusqu'au centimètre qui autrement, avec un coulis normal sans rigidité, auraient décanté vers le fond ou il est extrêmement difficile de les enlever-et ce qui peut causer parfois des malfaçons. On peut même utiliser ce procédé pour alourdir volontairement le fluide en matiere de perforation ou pour d'autres applications de stabilisation. Un troisième avantage est, qu'en diminuant la quantité de bentonite, on évite au pic de monter trop haut et qu'on est sûr ainsi d'éviter un épaississement malencontreux en cas de modificotion inopinée du taux de chaux par absorption dans certains déblais avides de chaux. Evidemment, on court le risque, dans un horizon comme la craie qui tend elle-meme à.libérer de la chaux, à voir, par augmentation du taux de chaux, la rigidité descendre, ce qui nécessite une certaine surveillance mais c'est beaucoup moins grave que les augmentations de rigidité énormes qu'on trouvait dans ces terrains chaulés lorsqu'on travaillait avant le pic. Le quatrième avantage est précisément le but principal du brevet à savoir que, lors d'un ajout de ciment, la rigidité tend à diminuer voire à s'effondrer. C'est finalement là bien l'idéal du spécialiste en fondations spéciales : avoir un fluide particulièrement ferme pendant la perforation et qui ne demande qu'à se liquéfier au moment ou on n'en a plus besoin. Enfin, un cinquième avantage lorsqu'on désire utiliser le produit de perforation pour participer au produit final lorsqu'il est à base de bentonite-ciment, est que la bentonite de perforation ainsi traitée n'a plus aucune difficulté à se mélanger in situ au ciment s'il est d'à peu près même densité et éventuellement brassé à l'air lift. Dans le cas d'un bétonnage classique ou on ne désire pas que la bentonite se mélange au béton, il suffit de ne pas agiter et il se forme un film fluide entre la surface supérieure du béton injecté par le bas et la surface inférieure de la boue qui remonte. Le béton final arrivont en surface est ainsi beaucoup moins pollué, ce qui limite le recépage. De plus, les aciers de la paroi sont beaucoup mieux enrobés par le béton. Il est possible que parfois, avec certaines bentonites, le sous dosage initial de cette méthode soit incompatible avec la stabilité du coulis bentonite-ciment final, mais rien n'empeche de remonter ce dosage en bentonite au moment de l'hydratation préalable du ciment. On en arrive alors dans le cas de coulis final de bentonite-ciment à trois methodes possibles de remplacement du coulis initiol de bentonite traitée à la chaux - fabrication du coulis de bentonite-ciment en centrale de molaxage avec utilisation eventuelle de la bentonite de la tranchée puis renvoi du mélange final au fond de la tranchée ce qui est une substitution avec air-lift final éventuel, - injection directe d'un ciment surdosé dans la masse de la bentonite de perforation puis malaxage in situ à l'air-lift ce qui est une perfusion, - vidange directe en vrac du ciment poudreux sur la tranchée et brassage à l'air-lift, ce qui est un ballastage. Les essais réalisés à ce jour ont montré que l'homogé- néité des substitutions aux mélanges ainsi réalisés était sans commune mesure avec ce qui se faisait jusqu'ici. REVENDICATIONS I.Mode d.e fabrication d'un fluide de perforation du terrain à base de boue bemtonitique consistant à doper cette boue avec quelques kilogrammes de chaux au mètre cube au moment de sa fabrication sur le chantier de telle façon que,d'une part,la quantité de bentonite soit inférieure à eelle strictement né~ pessaire à la perforation en l'absence de dopage à la chaux, et d'autre part, que le point figuratif de la viscosité Mersh ou de la rigidité en fonction du taux de chaux soit situé en haut du premier pic de viscosité Marsh ou sur la courbe descendante située à sa droite immédiate. 2.Utilisation du produit de la revendication I pour maintenir en suspension des déblais ou des corps solids,afin d'empêcher leur sédimentation au fond du forage et/ou accroître la stabili té de l'excavation 3.Utilisation du produit de la revendication I pour éviter des épaissements inconsidérés de la boue de forage au contact de couche de terrain polluante ou de ciment eu place. 4.Utilisation du produit de la revendication I pour permettre la substitution,la perfusion ou le ballastage ultérieur de coulais à base de ciment sans épaissement ni formation d'inclu~ sions nodulaires de bentonite,mais au contraire avec liquéfac~ tion de la boue en place. 5.Utilisation de l'une des revendications précédentes pour la mise en place dans une excavation de coulis de eiment,de bento. nite-ciment ou de béton,nécessaires au secellement ou à la réali~ sation de tirants ou miero-pieux, de pieux moulés ou préfabriqués, de parois moulées ou préfabriquées,d'ouvrages en souille continue tels que égoûts,de tunnels à la boue,