Brevet FR2475528A1 — publié le 19810814

L'invention se rapporte à une composition de mortier à prise rapide pour projection à la lance avec ajout d'une quan- tit- convenable d'eau, comportant de l'ahnydrite et un cata- lyseur de prise pulvérulent contenant un mélange de sels de métaux alcalins et de transition. L'invention a également trait à un procédé d'application de cette composition au sou- lèvement de galeries de mines en suivant l'avancement. Dans les exploitations minières en galeries souterrai- nes, il est npcessaire de construire des soutènements suppor- tant dès leur mise en place les poussées des terrains envi- ronnants. Ces soutènements ont pour rôle d'éviter des éboule- ments oui feraient obstacle à la circulation du personnel et du matériel, et de rendre étanches les parois de galeries pour éviter les pertes d'aérages, le passage de l'air dans les vieuy travaux avec risque d'incendie, la formation excessive de poussières inflammables, et l'irruption Sncontr3iée de gaz combustibles dans les galeries. La solution classique consiste à projeter à la lance un mortier d'anhydrite, ou sulfate de calcium enhydre, sur les parois de galerie, en suivant l'avancement des travaux. L'an% drite contenant de préférence une proportion notable de fines passant à la maille de 0,2 mm, est chargée dans la trémie d'un propulseur pneumatique avec addition d'un catalyseur de prise, typiquement un mélange de sulfate de potassium et sulfate de fer, tel par exemple que décrit dans la demande de brevet français nO 76 32232 déposée le 26 Octobre 1976, et acheminée pneumatiquement par des canalisations jusqu'à une lance de projection os l'anhydrite est mélangée à ne quantité d'eau convenable pour former le mortier. La diFsolution du cataly- Peur induit pratiquement instantanément le début d'hydratatLon du sulfate de calcium dont la prise s'achève rapidement au contact des parois. On pourrait penser que, en raison du prix relativement elevé de l'anhydrite il serait intéressant de réaliser les soutEnement? de galeries de mines en béton projeté, cmmrne cela est pratiou- dans la construction de tunnels rout]ers et fer- roviaires. En fait l'utilisation du b4tDn projeté est exci'e dans la plupart des caF en travaux miniers tarit donné acue la composition du béton devrait être réalisée l'intérieur des travaux, dans des espaces confinés o- les appareillages nécessaires pourraient difficilement trouver place et on les poussières alcalines de ciment seraient nocives. L'utilisation de mrortlers composés d'anhydrite, et de catalyseur avec adjonction d'eau dans la lance impose des con- traintes gênantes. L'anhydrite, au moment de l'emploi doit contenir une quantité minimale de gypse, résultant de l'hydra- tation spontanée du sulfate de calcium ern présence de l'humi- dite de l'air. A. l'extraction en carrière l'anhydrite ne doit pas contenir plus de 2 à 3 d de gypse, et l'absorption d'hu- midité au cours des transports et stockages rie doit pas faire monter la teneur en gypse a plus de 8 a, au-delà de laquelle la résistance du mortier décroît facheusement. Il est clair que l'utilisation de tonnages importants d'anhydrite impose la constitution de stocks d'importance correspondante avec une durée de stockage en rapport, de sorte que la teneur en gypse au moment de l'emploi croît en fonction du tonnage uti- lisé. Par ailleurs, l'atmosphère des mines est généralement saturée d'humidité, ce qui accroît les contraintes de stockage au fond, et par aille7rs prDvoque un début de prise de l'anhy- drite humide, surtout en fines sous l'effet du catalyseur dès l'introduction de ce dernier, ce quI limite la longueur de canalisation acceptable entre le propulseur pneumatique et la lance pour éviter la formatrion prématurée exoessive de gypse. L'invention a pour objet une composition de mortier d'anhydrite pour projectin r. la lance, ce qui permet de ré- duire le tonnage d'anhydrite. L'invention a également pour objet une composition de mortier d'anhydrite ohi la form.ation prématurée de gypse est très réduite. L'invention a encore pour -bjet une composition de mor- tier d'anhydrite à résistance acoruP apreès projection. A cep effets, l'invention propose une:omposition-de mortier à prise rapide, pour projection - la lance avec ajout d'une quart.tÉt convenable d'eau, comportsat de l'anhydrite et un catalyseur de prise pulvérulent contenant un mélange de seIs de m'taux slcalin et de transition, caractérisée en ce qu'elle comporte une masse de prise constituée en poids de o à 80 I d'anhydrite et de 75 ' à 2) o de granulats neu- tres humides passant à la maille de 50 mm et refusés à la maille de 4 mm, la proportion pondérale de ces granulats re- fuses à la maille de 25 mm étant au plus de 45 2, ledit cata- lyseur ajoute à raison de 1 à 1,6 % du poids de la masse de prise, contenant outre les sels précités, entre 5 et 20 % en poids de terre de diatomées. L'adjonction de granulats calibrés à la masse de prise réduit évidemment d'autant la quantité d'anhydrite utilisée, tandis que ces granulats participent par eux-mêmes à la résis- tance du mortier après la prise. De plus, l'humidité superfi- cielle des granulats favorise la formation d'un film d'anhy- drite, provenant des fines, à la surface des granulats, dont le transport pneumatique est facilité, et dont la liaison avec la matrice de sulfate de calcium hydraté se forme à la projec- tion. En outre, la constitution du catalyseur, dans lequel la terre de diatomées, adsorbante, vient se coller à la surface des grains des sels actifs pour les enrober vient coopérer avec la facilité de transport pneumatique, ainsi qu'avec la résistance du mortier après la prise. En effet, au cours du transport pneumatique, les grains des sels actifs sont isolés de l'anhydrite par la présence à leur surface de terre de dia- tomées, de sorte qu'il n'y a pas induction prématurée de l'hy- dratation de l'anhydrite. Par contre, l'adjonction de l'eau de prise dans la lance provoque une ségrégation immédiate des sels actifs et de la terre de diatomées, en raison de leurs densités différentes. De préférence, les sels actifs du catalyseurcon des chlorures ou des sulfates d'un métal alcalin et d'un métal de transition notamment fer ou zinc, sous forme anhydre. De préférence, l'anhydrite contient au moins 30 -t en poids de fines passant à la maille de 0,2 mm, et moins de 6 4 de gypse. Sous un autre aspect, l'invention a pour objet un pro- cédé de soutènement de galeries de mines en suivant l'avance- ment en application de la composition de mortier selon l'in- vention. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressor- tiront d'ailleurs de la description qui va suivre, assortie d'exemples. Les propulseurs pneumatiques utilisés couramment dans les mines pour le soutènement des galeries en suivant l'avan- ce des travaux-comportent une trémie de chargement au fond de laquelle une roue à palette assure simultanément la distribu- tion dosée de la charge à un caisson avec une buse de souf- flage alimentée en air comprimé, et l'étanchéité du caisson vers la trémie. Le caisson est relié par une canalisation à une lance, alimentée en eau, oà s'effectue le mélange de la charge et de l'eau de prise, en quantités respectives dosées. La canalisation entre propulseur et lance peut s'étendre sur quelques milliers de mètres, et est périodiquement prolongée pour suivre l'avancement du front de taille. La trémie du propulseur est alimentée en anhydrite par l'intermédiaire d'un convoyeur à tapis sur lequel sont déchar- gés des wagonnets apportant l'anhydrite. Un distributeur cou- plé à la roue à palette assure un apport de catalyseur à la masse de prise en quantité proportionnelle à celle que la roue à paletteintroduit dans le caisson. Les turbulences ap- portées par la buse de soufflage et le transport dans la cana- lisation assurent la dispersion du catalyseur dans la masse de prise. Suivant l'invention, l'appareillage dont la disposition vient d'être rappelée est utilisable pratiquement sans modifi- cation. On prépare un catalyseur par mélange intime de 20 par- ties en poids de terre de diatomées (tests siliceux d'infu- soires), 15 parties de sulfate de potassium pulvérulent et 65 parties de sulfate de fer neige légèrement humides. On a pré- paré des granulats à partir des stériles d'extraction de mines, entassés en haldes à proximité des puits, par des criblages et dépoussiérage de façon que les granulats passent au crible de 50 mi de maille et soient refusés au crible de 4 mm de maille. Un fractionnement complémentaire au crible de 25 mm de maille assure une proportiDn de passants et refusés d'en- viron 60/40, qui sont humidifiés et mélangés grossièrement. Les granulats sont chargés sur des wagonnets de desserte conjointement avec de l'anhydrite comportant au mooins 30 ' de fines passant à la maille de 0,2 mm et contenant moins de 6 b de gypse. Les wagonnets sont séparés en deux cavités, affec- tées respectivement à l'anrhydrite et aux granulats, par une cloison intermédiaire, de sorte que les charges d'anhydrite et de granulats respectivement soient dans un rapport pondé- ral convenable, typiquement 30 % et 70 4. Le déchargement des wagonnets sur le transporteur à tapis de la trémie du propul- seur assure un premier mélange de l'anhydrite et des granu- lats, mélange qui sera amélioré au déversement dans la trémie, puis au passage dans le caisson. On constate que les granulats sont enrobés par les fines d'anhydrite oui adhère en surface par l'effet de.l'humidité. Parallèlement le catalyseur, qui se présente à ce stade comme un mélange intime de fins cristaux de sulfate de fer et de sulfate de potassium, farinés en surface par des particu- les de terre de diatomées collées par l'humidité des grains, est déversé et dispersé dans la trémie à la dose typique de 1,3 v en poids de la masse de prise constituée par le mélange d'anhydrite et de granulats introduit dans le caisson. Lors de l'acheminement de la composition de mortier dans les cana- lisations sous l'effet propulseur de l'air comprimé, l'enro- bage des granulats par les fines d'anhydrite produit X. effet lubrifiant et il ne se produit ni pertes de charge excessive, ni ségrégation des constituants de la composition. En outre les grains de sulfates catalyseurs ne viennent pas en réac- tion avec l'anhydrite, en raison de la présence du farinage de terre de diatomées; il ne se produit pas de mottage par formation de sulfate de calcium hydraté naissant. Par contre, lorsaue la composition arrive à la base de la lance et est mélangée à l'eau de prise, les grains de ca- talyseur sont lavés de la terre de diatomées, et se dissolvent pour induire la germination des cristaux de sulfate de calcium hydraté, dont la croissance assurera la prise du mélange proje- té. Les essais de mise au point de l'invention ont permis de dégager un certain nombre de règles gouvernant les propor- tions relatives des différents constituants. Des mesures ont montr. ue Lea proprrtionr pcnd rale anhy-r ie, raruliats entre lt/20 et 2g5/75 avait peu d nrfiuence our i r ast-nce à la compression à- 24 heures, doisine de 120as e c.mrLparer avec les valeurs obtenues --.s...ueent ave'a-^ hdrite seulc qui se situent verF 7-_, cars. Par ailleur -.a plast. - té du mortier, notanmment au _eur- du séchage sui suit li prise, cro't aueloue peu ave2 ila teneur en rr.. --r O ura donc int rêt, pour le soutbnement de terrains ou,,nt tendance à bouner, k augmenter 1n t.-mer ei anhtydri te p-.r 4Ytter des fissures. D'autre part. la proportion de grenulats refusés à la maille de 25 mm es'. _n facteur croIssant de rigidité du mortier, et de plus, au-delà de 45 - en poids, certaines dif- ficultés de transport dans les canalisation- appara issent. Dans l'ensemble la composition de la masse de prise apparaît très peu critique, ce aui autorise dos de.raes -eu précis. Pour le catalyseur, on a constaté, en confirmation de resultats classiues, o '- les sels p.uvaient être pratique- ment des sulfates ou des- hlorures sans distinction: le sel de metal de transit ion pet être un sel de fer ou de zinc à risultats sensiLblem;enrt -a. -veets, et le critère de choix est essentiellement e ?r - ir e'Csnomic-e. _n constate par ailleurs ou'l! est préferable aue l ro t.rtione de sel d'al- calin au sel de m:- ta -ie..rat:_-Dri soe. -nt;mpri-eP entre 1/2 et I/F. Le farUr.iu;c cee 'Pr rs ae sel j.alors par ia terre de diatoméeses et eff cace our 'v-ter ie mc-' age de la masse de prise à partir de - e pOiîds d.u c.,alyFeur. Toutefois le transport Dneumr.4atue d-c. gra de uelou pe protection apportée per le far--! d1e e rans par la tere de ldiatomées, de sorte qu'il crv -.ti a 'a r inter la teneur enr terre de dia- tcomzes orseue les c.nairet ons de transport S allongent. At-delà de 20 précibl e, ira. a ete-? on t assurer e transport pneum-at.-ue a des Jstqes de. --u y=reures aux distances rna x..e -es. Enfir -e -zi tess; 6: pr ise cr:t Vwc a..'.r en cata- lyseur. Er, dessous de ? ' e-rn ods I.a prise n'es ras conve- r.a o]ement iniu:te. u-JeL. de 1,6 - orn ne;--e p ras de -ain de vitesse de prise. Entre ces limites, l'ajustement de la teneur en catalyseur sera effectué pour adapter la vitesse de prise en fonction de la plasticité des terrains et de la vi- tesse de déhouillage, c'est-à-dire du temps dont on dispose pour fixer le terrain. Dans ce domaine, l'homme du métier procèdera aux ajustements utiles, appuyé sur son expérience des réactions du terrain et des mesures prises classiquement pour s'y adapter. Il apparalt clairement de la description précédente que le mortier d'anhydrite a été mis au point dans une application précise qui est le soutènement des galeries de mines. Mais il est non moins clair que la portée de la présente invention ne saurait se limiter à cette application déterminée mais s'étend au contraire à toutes les applications de mortier o les pro- priétés de vitesse de prise, de résistance à la déformation et au feu, de plasticité résiduelle, et les avantages de ré- duction de prix de revient (par remplacement partiel de l'anb5 drite par des granulats locaux) et de souplesse d'utilisation seront des facteurs de progrès technique, notamment dans les domaines du bâtiment et des travaux publics. R EV E N D I C AT I 0 N S 1. Composition de mortier à prise rapide, pour projec- tion à la lance avec ajout d'une quantité convenable d'eau, comportant de l'anhydrite et un catalyseur de prise pulvéru- lent contenant un mél'nge de sels de métaux alcalin et de transition, caractérisée en ce qu'elle comporte une masse de prise constituée en poids de 25 D à 80 d d',anhydrite et de à 20 de granulats neutres humides passant à la maille de 50 mm et refusés à la maille de 4 ram, la proportion pondé- rale de ces granulats refusés à la maille de 25 mm étant au plus de 45 %, ledit catalyseur ajoute à raison de 1 à 1,6 d du poids de la masse de prise, contenant outre les sels pré- cités, entre 5 et 20 en poids de terre de diatomées. 2. Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce que les sels contenus dans le catalyseur sont des chlo- rures ou sulfates anhydres. 3. Composition selon la revendication 1 ou la revendi- cation 2, caractérisée en ce que les métaux de transition des sels contenus dans le catalyseur sont fer et zinc. 4. Composition selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le rapport pondéral du sel d'alcalin au sel de métal de transition est compris entre 1/2 et 1/8. 5. Composition selon une oQuelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'anhydrite contient au moins t en poids de fines passant à la maille de 0,2 mm, et moins de 6 1 de gypse. 6. Procédé de soutènement de galeries de mines en sui- vant l'avancement, o'i l'on charge une masse de prise et un catalyseur dans la trémie d'un propulseur pneumatique, on achemine pneumatiquement la masse et le catalyseur par une canalisation jusqu'à une lance oâ un mortier est constitué par ajout d'eau en ouantité convenable, et on projette le mortier sur les parois de galerie, caractérisé en ce nue l'on compose la masse de prise dans la trémie du propulseur avec une composition selon une quelconque des revendications I à 5.