Brevet FR2540551A1 — publié le 19840810

Vérin chimique à base de platre et de chaux vive surcuite. La presente invention concerne le secteur des verins chimiques utilisables pour le deblaiement, la démolition et les applications analogues, telles que découpage des roches de construction ou de parement dans les carrières de grès ou de marbre par exemple. Par "vérin chimique", on entend ici un mélange expansif susceptible d'exercer par son expansion des contraintes considérables en un temps plus ou moins long. Coule dans un trou foré dans une roche, ou un bloc de béton, etc., un tel produit doit être capable de faire eclater progressivement la roche ou le bloc. On connaît actuellement un produit de ce type dont la fabrication fait appel à un clinker de ciment très riche en chaux. On connaît également un autre produit à base de ciment et de chaux vive surcuite. Ces deux produits présentent de nombreux inconvénients. En particulier, la pression exercée ne s'accroît que très lentement et l'éclatement du matériau à détruire n'est suffisant qu'au terme d'un très long délai. La présente invention concerne au contraire un verin chimique permettant d'obtenir beaucoup plus rapidement la pression maximale, ce qui représente un avantage considérable pour le professionnel (liberation beaucoup plus rapide du site). Une originalité du produit selon l'invention réside dans le fait qu'il est constitué essentiellement de plaire et de chaux vive surcuite (et bien entendu d'eau). Comme platre, on pourra utiliser un plate naturel type autoclave, forme "a", ou un plâtre synthétique, phosphogypse, forme "&alpha;", donnant de préférence un pH acide (3 à 65. Les meilleurs resultats ont ete obtenus avec le platre "LUDUR G" commercialise par la Société GIULINI, République Federale d'Allemagne. Les caractéristiques essentielles recherchées pour le platre sont - état initial liquide ou pulvérulent, - vitesse de durcissement rapide, - bonne augmentation dans le temps des rGsis- tances mêcaniques, forte résistance à la compression. On pourra utiliser d'autres plâtres répondant à ces critères. Le second constituant essentiel du produit selon l'invention est un produit expansif hydraulique dont les caractéristiques essentielles doivent être - un état initial liquide ou pulvérulent, - une expansion plutôt lente, car elle ne doit se manifester qu'après le durcissement du liant (ici, le plâtre), - un etat final solide pulvérulent, - une aptitude à dêvelopper une très forte pression durant l'expansion. On utilisera de manière tout à fait préférée une chaux vive CaO surcuite. On sait en effet que la transformation de la chaux vive CaO en chaux éteinte Ca(OH)2 se traduit par une expansion en volume de 1,8 fois. Il est de plus nécessaire que la chaux vive soit "surcuite'1 : en effet, si la chaux n'a pas été chauffee à plus de 10000C, l'hydratation se produit instantanément. Le produit selon l'invention pourra comprendre des additifs classiques, notamment un superplastifiant (pour obtenir un produit pâteux ayant une bonne coulabilite, sans qu'il soit néces- saire d'avoir recours à un excès d'eau qui abaisserait en particulier la résistance mécanique du liant employé, ici le plâtre). On ajoutera si nécessaire un accélérateur de prise du liant afin d'obtenir plus rapidement de bonnes caractéris- tiques mecaniques. De manière tout à fait préférée le produit contiendra enfin de l'eau dans les proportions suivantes eau/platre environ 18,6 % en poids eau/chaux vive environ 32,2 % en poids qui permettent de travailler sans excès d'eau. Le produit selon l'invention contiendra, en ce qui concerne la combinaison plâtre + chaux vive, de 40 à 60 % environ de plâtre et de 60 à 40 % environ de chaux vive surcuite, en poids Le platre joue dans le produit selon l'invention un ralle de liant et fera prise en "piegeant" les cristaux de chaux vive (ainsi, le mélange expansif ne s'echappera pas du trou dans lequel il aura été coulé). Ensuite, l'hydratation lente de la chaux vive surcuite commence ; c'est elle qui engendrera les contraintes de pression radiales qui feront éclater le bloc à détruire. Le plâtre n'avait encore jamais été utilisé dans cette fonction de liant, dans le secteur technique considère. On lui doit en grande partie les proprietes surprenantes du produit selon l'invention. On notera que l'art anterieur utilise un ciment comme liant. Sa vitesse de prise étant relativement lente, il est necessaire dans les produits connus d'utiliser une chaux vive fortement surcuite, afin que son hydratation ne commence pas avant la prise du liant. Au contraite, selon l'invention, on pourra se contenter d'une chaux beaucoup moins surcuite. I1 faut enfin signaler que le choix du liant ici, le plâtre - est primordial, car de nombreux matériaux hydrauliques ne conviennent pas dans cette fonction. Ainsi, si lton utilise comme liant de la chaux vive, une explosion se produit environ 9 min après l'addition d'eau. Un autre liant, la magnésie, ne convient egalement pas. Une part des proprietés très intéressantes du produit selon l'invention provient sans doute du fait que le liant et le produit expansif hydraulique sont de nature différente. Selon l'art anterieur, au contraire, on sait que le ciment et la chaux vive sont de même nature et compatibles. Cela est probablement la raison pour laquelle on n'a pas envisagé d'employer anterieurement le plate comme liant pour fabriquer un vérin chimique. Enfin, la nature différente du plâtre et de la chaux vive permettra selon l'invention d'introduire des additifs spécifiques n'agissant que sur l'une ou l'autre de ces compositions, d'où l'avantage supplementaire de pouvoir adapter les formulations avec precision. Le produit selon l'invention, qui est destins à fendre des roches ou des bétons, est capable d'agir dans des cavités cylindriques ouvertes forees dans le bloc a détruire ;- la pression s'exetce dans la direction radiale et il ne se produit pas de sortie du produit par l'orifice du trou. Le produit pâteux selon l'invention peut être coulé aisement ; il peut aussi être pompé ou-mis sous forme de cartouches humidifiables (par exemple à gaine poreuse pour trempage dans l'eau immédiatement avant emploi). Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois en limiter la portée. EXEMPLE 1 Formulations I, II et III On trouvera dans les tableaux I, II et III ciaprès le détail des compositions des formulations I, II (IIa et IIb) et III (c). En remplacement du sulfate de potassium, on pourra utiliser le fluosilicate d'ammonium, le sulfate d'ammonium, le phosphate diammonique... Mode opératoire général des essais te principe est de realiser des essais d'eclatement de "moules" constitués d'un matériau epoxy dont la résis- tance à la traction est déterminée par ailleurs sur des "éprouvettes" coules à partir de la même masse époxy que le moule. Le moule présente une forme cylindrique presentant une cavite coaxiale également cylindrique. On designera par " EXT" le diamètre de la section droite du moule, par " INT" le diamètre de la section droite de la cavité, par "e" l'épaisseur de la paroi qui se deduit des deux diamètres précédents. Pour l'essai, le produit à tester est coulé dans la cavité centrale de plusieurs moules présentant le même INT, mais dont on fait varier e. La relation entre la poussée (P) exercée par le produit d'essai, la resistance à la traction bT) du matériau epoxy constitutif du moula (0 INT) et (e), est la suivante 2 P (bars) = #T (bars) x e (cm) x # INT (cm) La resistance à la traction (#T) du matériau époxy est déterminée séparément au moyen d'éprouvettes - soit cylindriques, 56 mm, h 112 mm, pour l'essai de fendillage decrit ci-après, - soit en haltère, de partie calibree longueur 50 mm section 5 x 10 mm pour la mesure de xT directe, à une vitesse de traction de 10 mm/min. EXEMPLE 2 On a utilisé la procédure d'essai décrite ci- dessus et une formulation selon l'invention à 50 % en poids de plâtre et 50 % en poids de chaux vive surcuite ultrafine, avec un rapport en poids eau/poudres (plâtre + chaux vive surcuite) égal à 0,35. Les résultats obtenus ont ete rassembles dans le tableau IV ci-après. La température d'essai a été de 200C. Cet exemple montre que le produit selon l'invention conduit à une montée en poussee très rapide puisque l'on atteint 250 bars (valeur moyenne) en moins d'une heure pour le moule n 4. EXEMPLE 3 On a effectué le même essai que celui relate dans l'exemple 2, mais à 10 C. Les résultats sont rassembles dans le tableau V ci-après. EXEMPLE 4 Formulation I Le produit d'essai coule répond à la formulation I (cf. tableau I). Rapport en poids eau/poudres (plâtre + chaux) = 0,29 Essai mené à la température ambiante 220C Moule époxy - masse volumique 1,75 g/cm3 - contrainte en traction par fendillage 245,5 bars (moyenne sur 2 mesures) [L'essai de fendillage consiste à placer l'éprouvette cylindrique epoxy horizontalement sur l'un des plateaux d'une presse et à exercer la pression selon une generatrice : la valeur donnee est égale à la pression qui provoque le fendillement de l'éprouvette cet essai donne une valeur approchée de la contrainte de traction reelle et est encore dénommé "essai Brësilien"]. Les résultats sont rassemblés dans le tableau VI ci-après. CONCLUSIONS La reaction d'expansion se produit environ 1 h après la mise en place du coulis. La réaction d'expansion n'est pas progressive, elle se produit à un instant donné avec une poussée maximale. La poussée maximale observée se situe entre les valeurs 206 et 244 bars (le pH du plâtre était de 11,51). EXEMPLE 5 Formulations II Le produit d'essai coule dans la cavité correspond à la formulation IIa ou IIb du tableau II ci-après. Formulation II a : eau/poudres (en poids) = 0,275 Formulation Il b : eau/poudres (en poids) = 0,26 Moule époxy 3 - masse volumique 1,73 g/cm - contrainte en traction par fendillage 281,5 bars (moyenne sur deux mesures) Les résultats sont rassemblés dans les tableaux VII et VIII ci-après. CONCLUSIONS Cette nouvelle serie d'essais confirme que la reaction d'expansion n'est pas progressive. Elle se produit à un instant donné avec une poussee maximale. Pour la formulation lIa, la poussée maximale se situe entre les valeurs 267 et 336-bars et est plutôt voisine de 336 bars. Pour la formulation IIb : entre 266 et 337 bars (dans les deux cas : pH du plâtre = 3,50). EXEMPLE 6 Formulation III Le produit coulé répond à la formulation (c), du tableau III ci-après. eau/poudres (en poids) 0,26 Moule époxy : mêmes caractéristiques que dans l'exemple 5. Les resultats sont rassembles dans le tableau IX ci-après. CONCLUSION GENER4LE Les exemples 4, 5 et 6 montrént que, pour obtenir une plus forte poussee maximale, il convient de rechercher un plâtre donnant un pH acide (cf tableau X ci-après). Cela est en soi surprenant compte tenu du caractère basique de la chaux. Dans l'art antérieur, on cherchait- au contraire à utiliser un liant basique (ciment). EXEMPLE 7 Essai d'éclatement d'un bloc de beton Paramètres du bloc béton coule . CPJ 45 R (ciment de Champagnole) 300 à 350 kg/m3 Sable de 0 à 16 mm de granulométrie . Eau/ciment : 0,34 en poids . Superplastifiant - réducteur d'eau : "MELMENT F10" = 1 %/ciment Béton vibré. Dimensions du bloc longueur : 3,2 m, largeur : 0,5m, hauteur : 0,5 m. 9 9 réservations (par des tubes PEHD (polyethylène haute densité) - diamètre exterieur : 40 mm, longueur : 500 mm) à 0,4 m des extré- mités du bloc avec comme entraxe : 0,3 m. L'aspect des trous est lisse une fois les tubes PEHD retirés. Résistance à la traction par fendillage à J + 27 jours, le jour de l'essai = 34,6/# 5,4 %/bar; moyenne de trois mesures Résistance à la compression à J + 27 jours, le jour de l'essai = 384 bar, moyenne de deux mesures. Paramètres du produit On a utilisé la formule (c) decrite dans le tableau III Plâtre = 45 % Chaux = 55 % eau/poudres = 0,26 pH du plâtre = 3,81 Paramètres de l'essai Né lange à la main pendant 60 à 90 s Température ambiante = 290C (beau temps sec) Début du gel dans le gobelet en papier paraffiné = 30 min . Début de l'expansion dans le gobelet en papier paraffiné = 41 min (on constate que la paraffine fond). Après une duree de 140 min, on aperçoit des fissures de 1/10e mm entre les neuf trous du bloc beton. Après une duree de 270 min, une fissure perpendiculaire à la direction longitudinale des neuf trous apparaît sur un côté, au niveau du deuxième trou par rapport à une extrémité du bloc. Apres une duree de 17 h 30 min, la fissure entre les neuf trous s'est élargie = 10 à 15 mm. D'autre part, entre le bord du bloc et le premier trou, on note une fissure de 2 mm de large au niveau du trou qui s'amenuise à 1/10e mm au bord du bloc (ceci etant valable pour les deux extrémités du bloc béton). Deux fissures (5 mm de large) perpendiculaires à la direction longitudinale des neuf trous apparaissent au niveau du deuxième trou par rapport à chaque extrémité. Après une durée de 20 h, la fissure entre les neuf trous s'est élargie = 20 mm. Augmentation qualitative (largeur) et quantitative (nombre de fissurés) du processus d'é clatement. Après une durée de 21 h, accentuation du processus de destruction. Après une durée de 44 h, accentuation du processus de destruction. La fissure longitudinale a au noins 30 a 50 mm de large. Les fissures transversales, citées ci-dessus, ont environ 5 a 10 mm de large. Apparition de fissures longitudinales au extrémités du bloc (longueur : 0,40 m) entre le bord du bloc et le premier trou. Après 90 h, la fissure longitudinale a 60 à 70 mm de large. Le produit reste sous la forme du coulage, c'est-à-dire cylindrique et devient friable au toucher. CONCLUSIONS 1) On peut considerer que le bloc beton était réellement fragilisé au bout de 15 à 20 h. 2) Le produit ne présente aucun danger particulier, au stockage, au moment du coulage et durant l'attente de l'éclate- ment. 3) Le calcul de base qui a permis de definir le diamètre du trou et l'espacement des trous est le suivant diamètre du trou . 40 mm distance entre les trous (entraxe) 300 mm poussée = 250 bar (marge de securite), soit une resistance en traction du beton = 33 bar. On a tout lieu de penser que la poussée maximale est superieure à 250 bar (extrémités du bloc en beton, longueur = 400 mm). 4) Le beton est par nature alcalin et il est possible que l'alcalinité du substrat inhibe le caractère spontane de la destruction du bloc, car, en fait, l'expansion est progressive et la pression maximale n'est pas aussi rapidement atteinte que dans les moules époxydes tformulations (I), (II) et (III)]. TABLEAU I FORMULATION I Plâtre 40% en poids Chaux vive surcuite 60% en poids . Plâtre (LUGUR G/C) 1 526 g = 39,37% 30,52% . Superplastifiant (OROTAN SN) 1,50%/plâtre + chaux 57 g = 1,47% 1,14% Sulfate de potassium 0,20%/plâtre 3 g = 0,08% 0,06% . Chaux vive surcuite granulométrie 0-6 mm 2 290 g = 59,08% 45,80% 100 Eau 22,48% 100 - pH plâtre 11,51 - rapport eau/poudres (plâtre + chaux) = 0,29 en poids TABLEAU II FORMULATIONS IIa et IIb IIa Plâtre 50% en poids Chaux vive surcuite 50% en poids . Plâtre LUGUR G/C 750 g = 49,21% 38,60% . Superplastifiant OROTAN SN 1,50%/plâtre + chaux 22,5 g = 1,48% 1,16% . Sulfate de potassium 0,20%/plâtre 1,5 g = 0,10% 0,08% . Chaux vive surcuite 0-6 mm 750 g = 49,21% 38,6% 100 Eau 21,57% 100 - pH plâtre = 3,50 - rapport eau/poudres = 0,275 en poids TABLEAU Il (suite) IIb Plâtre 60% en poids Chaux vive surcuite- 40% en poids . Plâtre LUGUR G/C 900 g = 59,04% 48,86% . Superplastifiant OROTAN SN 1,50%/plâtre + chaux 22,5 g = 1,48% 1,17% , Sulfate de potassium 0,20%/plâtre 1,8 g = 0,12% 0,10% Chaux vive surcuite 0-6 mm 600 g = 39,30% 31,24% 100 Eau 20,63% 100 - pH plâtre 3,50 - rapport eau/poudres = 0,26 en poids TABLEAU III FORMULATION III (c) Plâtre 45% en poids Chaux vive surcuite 55% en poids. . Plâtre LUGUR G/C 675 g = 44,30% 35,16% . Superplastifiant OROTAN SN 1,50%/plâtre + chaux 22,5 g = 1,47% 1,17% Sulfate de potassium 0,20%/plâtre 1,35 g = 0,09% 0,07% Chaux vive 0-6 mm 825 g = 54,14% 42,97% 100 Eau 20,63% 100 - pH plâtre 3,84 - rapport eau/poudres = 0,26 en poids. TABLEAU IV (Exemple 2) Moule # INT # EXT ## (#) Rupture du moule n mm mm 280 314 348 après POUSSEE P (bars) 1 40,3 61 144 161 179 35 min 2 40,4 63,4 159 179 198 38 min 3 40,4 69,2 200 224 248 47 min 4 40,6 72,8 222 249 276 53 min (*) déterminée sur des éprouvettes en haltère par l'essai en trac tion directe; exprimée en bars; la valeur centrale exprime la moyenne des deux autres valeurs. TABLEAU V (Exemple 3) Moule # INT # EXT ## (*) Rupture du moule n mm mm 280 314 348 après POUSSEE P (bars) 1 40,3 60 137 154 170 80 min | , . 2 40,3 62,6 155 174 193 (*) cf. tableau IV (**) Pas de rupture du moule. Après 3 h 50, le diamètre extérieur augmente de près de 4% (62,6 65 mm) TABLEAU VI (Exemple 4) Avec FORMULATION I Paramètres du moule Pression Numéro du Nombre de Commentaires # EXT # INT Hauteur calculée moule moule (mm) (mm) (mm) 1 3 100 40 85 370 bar Après 55 min, farinage au niveau du trou sur les trois moules. 2 3 92 40 85 320 bar Après 60 min, farinage au niveau du trou sur les trois moules. 3 3 79,8 40 90 244 bar Après 95 min, une fente suivant une génératrice au bas d'un moule. Explosion vive après 55 min sur un autre moule 4 3 73,6 40 97 206 bar Après 45 min, une fissure apparaît sur deux moules. Au même moment apparaît une deuxième fissure sur l'un des deux moules. 5 3 68 40 62 172 bar Après 53 min, une fissure apparaît sur trois moules. Après 60 min, une deuxième fissure apparaît sur deux moules. TABLEAU VII (Exemple 5) Avec FORMULATION IIa Numéro du Nombre de Paramètres du moule Pression moule moules calculée Commentaires # EXT # INT Hauteur (mm) (mm) (mm) 1 1 99,5 40 85 419 bar Moule intact après 8 h et 48 h. 2 1 88,25 40,5 98 336 bar Rupture du moule après 1 h 15. 3 1 78,7 40,25 91 267 bar Le moule gonfle radialement, son diamètre externe augmente pour atteindre 80 mm après 1 h 15. Ce diamètre reste inchangé après 8 h et 48 h. 4 1 71,8 40,5 97 220 bar Rupture du moule après 1 h 10. 5 1 67,2 40,5 63 188 bar Rupture du moule après 1 h 15. TABLEAU VIII (Exemple 5) Avec FORMULATION IIb Numéro du Nombre de Paramètres du moule Pression moule moules calculée Commentaires (*) # EXT # INT Hauteur (mm) (mm) (mm) 1 1 98,5 40 88 412 bar Rien à signaler après 8 h et 48 h. 2 1 88,50 40,65 100 337 bar Rien à signaler après 8 h et 48 h. 3 1 78,5 40,6 94 266 bar Rien à signaler après 8 h et 48 h. 4 1 71,55 40,5 98 219 bar Rien à signaler après 8 h et 48 h. 5 1 67,25 40,45 64 189 bar Rien à signaler après 8 h et 48 h. (*) Pas de rupture des moules. Cet essai revêt le caractère critique de la limite supérieure de 60% de plâtre par rapport au mélange plâtre + chaux. En effet, pour : plâtre 60%/chaux 40%, il commence à ne plus y avoir assez de chaux vive surcuite dans le produit. TABLEAU IX (Exemple 6) FORMULATION III(c) Numéro du Nombre de Paramètresdu moule Pression moule moules # EXT # INT Hauteur calculée Commentaires (mm) (mm) (mm) 1 1 98,4 40 88 411 bar Moule intact après 24 h. 2 1 88,3 40,65 100 340 bar Rupture du moule après 1 h 50. 3 1 78 40,5 94 266 bar Le moule gonfle radialement, son diamètre externe augmente pour atteindre 79,5 mm, aprè 1 h 50 : ce diamètre reste inchangé après 24 h. 4 1 71,55 40,6 100 215 bar Rupture du moule après 1 h 39 min. 5 1 67,2 40,55 65 185 bar Rupture du moule après 1 h 53 min. TABLEAU X Comparaison des résultats obtenus. FORMULATION I IIa IIb IIIc(III) Exemple 4 5 5 6 pH du plâtre 11,51 3,50 3,50 3,84 Plâtre (% en poids *) 40 50 60 45 Résistance à la compression du produit CELTAMINE 130 328 328 308 (**) (bar) Poussée maximale entre entre entre entre observée (bar) 206 et 244 267 et 336 266 et 337 266 et 340 (*) Chaux : complément à 100%; cf. tableaux I à III. (**) Le produit CELTAMINE est un produit à base de plâtre et de résine urée-formol (demande de brevet français n 80-16532) qui permet ici d'évaluer par comparaison la qualité d'un plâtre du point de vue résistance mécanique. La résistance est mesurée 24 h après le mélange de ces constituants et d'eau. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Vérin chimique, caractérisé en ce qu'il consiste en un produit coulable ou pompable essentiellement constitue de plâtre, de chaux vive surcuite et d'eau. 2 - Vérin chimique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange plâtre + chaux est constitué de 40 à 60% en poids de plâtre et 60 à 40% en poids de chaux vive surcuite. 3 - Vérin chimique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le rapport en poids eau/plâtre est d'environ 18,6% et le rapport en poids eau/chaux est d'environ 32,2% en poids. 4 - Vérin chimique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le rapport en poids eau/poudres (plâtre + chaux) est compris entre 0,25 et 0,30 environ. 5 - Vérin chimique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il répond -la formulation suivante (en poids) - plâtre (pH = 11 > 51) 30,52% - superplastifiant 1,14% - sulfate de potassium 0,06% - chaux vive surcuite (granulométrie 0-6 mm) 45,80% - eau 22,48% [eau/poudres = 0,29 en poids). 6 - Vérin chimique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il répond à la formulation suivante (en poids) - plâtre (pH = 3,50) 38,60% - superplastifiant 1,16% - sulfate de potassium 0,08% - chaux vive surcuite (granulométrie 0-6 mm) 38,6% - eau 21,57% [eau/poudres = 0,29 en poids]. 7 - Vérin chimique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il répond à la formulation suivante (en poids) - plâtre (pH = 3,50) 48,86% - superplastifiant 1,17% - sulfate de potassium 0,10% - chaux vive surcuite (granulométrie 0-6 mm) 31,24% - eau 20 > 63% (rapport eau/poudres = 0,26 en poids] 8 - Vérin chimique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il répond à la formulation suivante (en poids) - plâtre (pH = 3,84) 35,15% - superplastifiant 1,17% - sulfate de potassium 0,07% - chaux vive (granulométrie 0-6 mm) 42,97% - eau 20,63% 9 - Vérin chimique selon l'une quelconque des revendicationsl à 8, caractérisé en ce qu'il contient des additifs tels que fluosilicate d'ammonium, sulfate d'ammonium, phosphate diammonique au lieu du sulfate de potassium. 10 - Procédé de déblaiement ou de démolition de blocs de roche, béton et analogues, ou de découpage de roches, caractE- risé en ce qu'il consiste à mélanger sur le site l'eau et les poudres des explosifs lents selon l'une quelconque des revendication 1 à 9, et à verser le vérin chimique ainsi obtenu dans des trous forés dans le bloc,de de manière à obtenir l'éclatement du bloc par expansion du vérin chimique.