Brevet FR2650837A1 — publié le 19910215

L'invention, qui est due à Mr. Roger RANC, membre du Comité Directeur des Voies Nouvelles du Béton et à MA. Armand BRISSET et Marcel DEBOS, a pour objet un coulis d'injection à base de ciment pour le colmatage et la conso- lidation de fissures fines estimées passives et de béton caverneux. Il arrive qu'avec le temps, les structures en bé- ton présentent des fissures plus ou moins importantes en largeur et en profondeur. Celles qui ne sont que très su- perficielles donnent aux constructions qu'elles affectent un aspect inesthétique, mais sans danger pour la pérennité de l'ouvrage. Un simple enduit peut changer cet aspect. Mais pour les fissures profondes, il peut en aller de la sécurité de -la construction et par conséquence de celle des person- nes, par exemple dans le cas des ponts ou des barrages. Si de telles fissures ne sont pas réparées, la dégradation se poursuit par érosion physique ou chimique et peut nécessi- ter, finalement la démolition et la reconstruction de l'ouvrage en cause. Pour éviter d'en arriver à une telle extrémité, on a déjà eu l'idée d'appliquer à des structures fissurées la technique de l'injection utilisée depuis longtemps pour la consolidation des sols et des terrains. En effet, en injec- tant sous pression dans les fissures un produit suffisamment fluide pour qu'il puisse pénétrer à l'intérieur de l'ouvra- ge, on peut remplir les fissures et les cavités internes, de façon à les colmater et même à consolider l'ouvrage si le produit injecté présente de bonnes propriétés d'adhérence et de résistance. Jusqu'à présent, pour la réparation par injection des ouvrages en béton, on a utilisé le plus souvent des ré- sines thermoplastiques ou thermodurcissables, tels que les polymères, qui offrent une gamme très étendue de viscosité leur permettant de pénétrer dans des fissures très fines. De tels produits présentent cependant des inconvénients. Tout d'abord, leur coût est élevé et rend très onéreuse une intervention à grande échelle. Mais surtout, leur module d'élasticité, après durcissement, est très différent de ce- lui du béton, ce qui crée des points durs préjucidiables à l'ensemble. En outrer leur coefficient de dilatation est également différent de celui du béton, ce qui présente un inconvénient évident pour des ouvrages situés généralement en plein air et, par conséquent, soumis à des variations de températures importantes. On a donc cherché à utilisé d'autres produits et, en particulier, ceux que l'on utilisait déjà pour consolider et étancher les sols. Par exemple, la demande de brevet GB-2195138 décrit un appareil et un procédé utilisable pour l'injection d'un produit durcissable dans des fissures, le produit injecté pouvant être une résine polyester ou époxy ou bien un coulis de ciment. Toutefois, dans ce document, on n'envisage pas l'injection de fissures -d'une largeur infé- rieure à 2 mm. D'une façon générale, l'utilisation de coulis à base de ciment pour la consolidation de structures en béton est particulièrement avantageuse puisque le produit injecté est, sinon identique, en tout cas similaire à celui de la structure à réparer et présente donc un module d'élasticité et un coefficient de dilatation du même ordre. On se heurte, toutefois, à une difficulté majeure dès que la largeur de la fissure ou l'ouverture de la cavité devient assez faible. En pratique, lorsque l'on utilise des ciments du commerce, on constate que, si la largeur de la fissure est inférieure à 3 rmm, il se produit, dès les pre- miers centimètres de pénétration du coulis, un bouchon de ciment essoré qui rend impossible la poursuite de l'opéra- tion. Pour mesurer les performances d'un produit d'injection, on a mis au point un essai normalisé dit."essai d'injectabilité à la colonne de sable en milieux sec et humide", faisant l'objet de la norme NF P 18-891. Dans un tel essai, on mesure le temps mis par le produit à tester pour atteindre les différents.traits repères placés le long d'une colonne en plastique transparent remplie de sable ca- libré. On peut ainsi déterminer les propriétés d'iqjectabi- lité de différents coulis de ciment. De tels essais, effectués systérmatiquement sur différents produits, ont permis de constater qu'il n'était possible d'injecter un doulis de ciment que dans des trous ou interstices dont la largeur est au moins de 1,5 à 2,3 fois la taille des plus gros grains du ciment. L'expérience a montré toutefois que, même en limi- tant la taille des plus gros grains au chiffre indiqué, on ne pouvait espérer injecter avec un coulis de ciment des fissures de moins de 1 rrnm. Or, dans de nombreux cas, il serait intéressant de pouvoir consolider des fissures beaucoup plus fines. En ef- fet, il est évidemment préférable d'intervenir dès que l'on repère la formation de fissures, avant que celles-ci ne se soient élargies. Par ailleurs, si l'on doit travailler sur une route ou sur un ouvrage en plein air, il vaut mieux le faire en été ou au printemps c'est-à-dire à un moment o, du fait des dilatations, les fissures sont refermées. En effet, les fissures sont plus larges en hiver mais, alors, les journées sont plus courtes et, surtout, il y a des risques de gelée en particulier la nuit. L'invention a donc pour objet un coulis à base de ciment permettant de consolider par injection des fissures extrrêmement fines, pouvant aller en pratique jusqu'à 0,2 ou 0,3 mmn. Conformément à l'invention, le coulis d'injection est réalisé à partir d'un ciment Portland, finement broyé et dont on a éliminé toutes les particules de dimension supé- rieure à 20 microns, ledit ciment étant additionné d'un fluidifiant réducteur d'eau dans une proportion ne dépassant pas 2% et gâché à l'eau, le rapport en poids de la quantité d'eau à la quantité de ciment ne dépassant pas 0,6. De préférence, le ciment Portland utilisé contient au plus 5% d'aluminate tricaleique et 8% d'aluminoferrite tétracalcique, ce qui lui confère de plus une bonne résis- tance aux sulfates (type V ASTM). De façon particulièrement avantageuse, le fluidi- fiant est un produit choisi. dans un groupe comprenant les Polynaphtalènes, les Mlamines, et les Lignosulfates, la proportion de fluidifiant étant comprise entre 0,5% et 1,8% en poids du total de produit sec. Par ailleurs, des résultats encore meilleurs sont obtenus si la proportion d'eau de gâchage par rapport au ci- ment est limitée à 0,40 au plus. Dans certains cas, la quantité de ciment peut être réduite grâce à l'adjonction d'un produit de liaison fin tel que pouzzolannes,- laitiers finement broyés, gel de silice, silice thermique ou produits organiques tels que résines po- lyuréthanes, alcool ou acétate de polyvinyle...., dan.s une proportion de 0,5 à 10% en poids du total de produit sec. Dans le cas de résines liquides, elles peuvent être ajoutées à l'eau de gâchage. Mais l'invention sera mieux comprise par la des- cription détaillée de certains exemples particuliers de réa- lisations illustrés par les dessins annexés. La Figure I donne les courbes granulométriques de plusieurs ciments soumis aux essais d'injectabilité. La Figure 2 est un diagramme de la durée pratique d'utilisation de deux coulis de ciment soumis aux essais. La Figure 3 donne les courbes d'injectabilité à 1a colonne de sable en milieu sec et humide, selon la norme NF P 18-891. La Figure 4 est un diagrarrmmne représentatif de l'essai de fendage selon la norme NF P 18-892. Corrrne on l'a indiqué plus haut, il était admis jusqu'à présent, que l'on ne pouvait consolider par injec- tion d'un coulis de ciment que des fissures de largeur au moins égale à 1 mmn. A l'encontre de cette opinion courante, la société déposante a mené à bien des études pour essayer de mettre au point des coulis de ciment susceptibles d'être injectés dans des fissures ayant une largeur de l'ordre de 0,2 à 0,3 mm, c'est-à-dire bien inférieure aux largeurs admises jusqu'à présent. Une telle étude était rendue plus difficile par le fait que les caractéristiques sur lesquelles on peut agir, conmme la composition du ciment, sa finesse, le rapport E/C, les proportions d'additifs, sont nombreuses et interfèrent les unes sur les autres. On sait, en particulier, qu'une proportion relati- vement importante d'eau, si elle facilite, évidemment l'injection, peut entralner l'exsudation et, par conséquent, la déstabilisation du coulis, I'injectabilité optimale pou- vant se définir comme un compromis entre la fluidité et la stabilité de l'émulsion eau/ciment. On a ainsi pu mettre en valeur le fait qu'il était nécessaire de limiter encore plus qu'on ne le croyait, la dimension maximale des particules de ciment. En effet, alors que le rapport admis jusqu'à pré- sent, entre la largeur minimale des fissures et la dimension maximale des grains était au maximum de 5 et même inférieu- re, dans certains cas, on a constaté que, pour obtenir de bons résultats, il fallait éliminer toutes les particules de dimensions supérieures à 20 microns et, mieux, ne pas dépas- ser, de préférence, 10 à 12 microns, ce qui correspond à un rapport de 16 au lieu de 5 pour l'injection de fissures de 0,2 à 0,3 rrrn. On a, en outre, découvert, que la nature du ci- ment était également importante, tous-les ciments ne conve- nant pas à l'injection de fissures très fines. En effet, pour obtenir les résultats recherchés, il faut utiliser un ciment Portland contenant, de préféren- ce, au maximum 5% d'aluminate tricalcique. Le rapport E/C doit également être plus faible que celui auquel on opérait auparavant pour les coulis d'injection puisqu'il doit être, au maximum, de 0,6 et, de préférence, de l'ordre de 0,4 ou moins. Pour conserver la fluidité nécessaire avec un rap- port E/C aussi faible, le ciment est additionné d'un fluidi- fiant réducteur d'eau tel qu'un polynaphtalène, une mélamine ou un lignosulfate mais dans une proportion très réduite car on a constaté cependant qu'il était possible de respecter un rapport E/C limité à 0,40 en utilisant une quantité de flui- difiant ne dépassant pas 2% de la quantité de ciment et pou- vant même descendre au-dessous de 1%. Il est possible également d'ajouter au ciment des constituants secondaires très fins tels que pouzzolanes, laitiers ou silice, ainsi que des résines, dans une proportion de 0,5 à 10%. Pour mieux mettre en valeur les avantages de l'invention, on a soumis à des essais comparatifs, d'une part un coulis A correspondant aux caractéristiques de l'invention ainsi définies et, d'autre part, un coulis d'injection B réalisé de façon classique à partir d'un Ciment du Commerce. Les caractéristiques principales des ciments et des coulis réalisés sont indiquées sur le tableau A ci- dessous. TABLEAU A Caractéristiques A B ciment ciment Nature du ciment Portland de laitier Masse volumique (T/m3) 3,12 2,80 Surface spécifique (cm2/g) 7000 17000 Granulométrie Selon graphique Fig. 1 E/C 0,40 I 1,6 DPU Selon graphique Fig. 2 Ft 28 (/Pa) 10 1,5 Fc 28 (NPa) 115 9 Retrait (micron/m) (28j) 4300 non mesuré non Gonflement (micron/m (28 j) 40 mesuré Porosité (%) 1% 65% Par ailleurs, les courbes granulométriques des ci- ments utilisés pour les coulis A et B sont indiquées sur la Figure 1 à laquelle on a ajouté la courbe granulométrique d'un ciment ordinaire C. Le coulis A selon l'invention est réalisé à partir d'un ciment Portland finement broyé et dont on a éliminé les particules de dimensions supérieures à 16 microns. Le coulis B est réalisé à partir d'un ciment à ba- se de laitier encore plus fin. A titre d'exemple, le ciment C est un produit du comerce relativement fin. La très grande finesse du ciment B apparait sur le tableau A précédent o. l'on a indiqué notammnent la surface spécifique. On constate qu'un tel ciment doit être gâché avec un rapport E/C de 1,6 au moins. Comme on le voit sur le tableau A, les résistances à la traction et à la compression à 28 jours sont bien plus faibles pour le coulis B que pour le coulis A selon l'inven- tion. Par ailleurs, la Figure 2 montre que la durée pra- tique d'utilisation à 20 C est bien meilleure pour le pro- duit A de l'invention que pour le produit B. En effet, sur ce graphique, qui indique en ordonnées la durée d'écoulement en secondes au cône de Marsh après un temps indiqué en heu- res en abscisses, on voit que le produit B devient pratique- ment inutilisable après 2 h 30 alors que le produit A selon l'invention peut être utilisé pendant 6 -heures. Ceci est un avantage important pour l'injection de structures en béton car on peut ainsi préparer à l'avance des quantités relati- vement importantes de coulis ou faire face à un arrêt momen- tané de la procédure d'injection. Pour apprécier les possibilités d'injection de ces différents produits, on les a soumis à l'essai d'injectabi- lité à la colonne de sable défini par la norme NF P 18-891. Le résultat est indiqué sur le diagrammne de la Figure 3 qui montre le temps mis par le coulis pour monter dans la colon- ne de sable sur une hauteur indiquée en ordonnée. Pour les deux. coulis A et B, on a in.diqué les temps d'injection en milieu sec et en milieu humide selon la norme NF P 18-891. On voit que le produit B de comparaison traverse plus vite la colonne de sable que le produit A mais les performances de ce dernier restent excellentes et bien inférieures aux limites de la Norme pour la pénétrabilité élevée. De plus. il ne suffit pas que le produit puisse être facilement injecté dans les fissures, il faut encore 265083-7 qu'il apporte les qualités voulues aussi bien pour l'étanchéité que pour la consolidation. En ce qui concerne l'étanchéité, on a déjà vu sur le tableau A que la porosité du produit A est très faible par rapport à celle du coulis B. Sur la Figure 4, on a représenté le résultat d'essais de fendage réalisés selon la norme NF P 18-892. Le diagramme indique en abscisses la résistance au fendage (ft) à 28 jours exprimée en MVégapascals pour les six éprouvettes obtenues à partir de la colonne. On voit que la résistance, au fendage des éprouvettes injectées avec le coulis B est pratiquement négligeable en milieu humide et très faible en "milieu sec" alors que, dans les deux cas, les résistances obtenues après injection par le coulis A répondent aux exi- gences 'de la Norme NF P 18-880 (chap. 3-2). Pour vérifier les qualités qui ressortent des es- sais ainsi réalisés, on a d'autre part utilisé les deux pro- duits A et B pour la régénération de bétons caverneux. Les résultats sont indiqués sur le tableau B ci-après. TABLEAU B REGENERATION D'UN BETON CAVERNEUX CARACTERISTIQUES Béton après injection par ETUDIEES caverneux A B Porosité (%) > 35 12,3 21,4 Perméabilité à l'eau (m3 /s) 6.10-3 2,6.10-11 2,8.10-11 Résistances trac- tion par flexion 0,9 3,6 1,9 (MPa) Résistances compression (NPa) 5,2 43,5 16',2 Sur le tableau B, on a indiqué les caractéristi- ques d'un béton caverneux avant et après injection par l'un des deux coulis A et B. On voit que, dans tous les cas, l'injection améliore les performances. Cependant, la diminu- tion de la porosité est plus importance après injection par le coulis A selon l'invention et, surtout, les résistances en traction et en compression sont bien plus grandes après injection par le coulis A. Enfin, le tableau C ci-dessous donne les résultats d'un essai d'adhérence effectué selon la norme NF P 18-894 et qui consiste à mesurer la charge de rupture d'éprouvettes de mortier cassées et recollées à l'aide du coulis d'injec- tion étudié puis soumises à un essai de flexion. On voit que l1 les performances du coulis A sont très supérieures à celles du coulis B puisque l'on peut obtenir, après recollage, des charges de rupture certes inférieures mais qui restent, ce- pendant du même ordre que celles des éprouvettes d'origine. TABLEAU C ADHERENCE SUR FISSURE CARACTERISTIQUES A B Rapport E/C 0,40 1,9 Résistance en traction par flexion du coulis (vPa) 10,5 1,0 Collage prismes AVANT 10,1 4 x 4 x 16 cm APRES RECOLLAGE 5,4 1,3 On a soumis à de tels essais un certain nombre de coulis de compositions différentes, réalisés à partir de deux ciments Portland I et Il ayant les compositions sui- vantes: ! I! Insolubles 0,12 0,15 SiO2 21,68 22,95 A1203 4,10 3,45 Fe203 4,12 2,50 CaO 65,17 66,60 MgO 0,74 0,90 S03 2,21 1,80 CO2+H20 1,10 0,85 K20 0,28 0,38 Na2O 0,03 0,14 El érren t s 0.45 0,28 mineurs TOTAL 100 100 C3A 3,91 4,90 C4AF 12,52 7,60 Les essais ont été effectués selon les normes in- diquées précédemment sur des colonnes de sable ayant la com- position suivante: 0,63 - 0,8 mm: 33% 0,80 - 1,0 rmm: 30% 1,0 - 1,25 mn: 37% Le tableau E ci-dessous indique pour chaque exemple: - la proportion et la nature (I ou II) du ciment, - la proportion et la nature du fluidifiant: Polynaphtalène (P) ou Mélamine (M) - le cas échéant, la proportion et la nature des constituants secondaires - le rapport E/C - le temps *de coulabilité (T) en secondes, c'est-à-dire la durée d'écoulement dans l'éprouvette, - une indication sur la pénétrabilité, - la résistance au fendage ft en Mégapascals. 2650837- TABLEAU E N Composition E/C T Pen. ft (%) (secondes) NPa 1 99,1 I 0,54 70 élevée 4, 08 0,9 P 2 99,l I 0,50 300 moyenne - 0,9 M 3 98,5 I 0,40 125 élevée 4,5 1,5 P 4 98,4 I 0,40 90 élevée - 1,6 P 99,25 II 0,40 242 moyenne 3,52 0,75 P 6 99,25 II 0,40 193 élevée 3,80 0,75 M 7 91,9 II 0,40 11.8 élevée 4,54 7,5 silice thermique 0.6 P 8 91,9 IlI 0,40 144 élevé 4,67 7,5 silice 0,6 P 9 91,75 II 0,40 171 élevée 5,21 7,5 silice 0,75 M 91,65 II 0,40 145 élevée 4,06 7,50 silice 0,85 M I1 91,60 II 0,40 131 élevée 3,80 7,50 silice 0,90 M 12 91,50 Il 0,40 165 élevée 4,75 7,50 silice 1,0 M TABLEAU E (suite) N Composition E/C T Pen. Pt (%) (secondes) NPa 13 90, 90 Il 0,40 155 élevé.e 7,50 L* 1,60 P 14 90,90 II 0,40 253 Moyenne 7,50 C* 1,60 S Silice Thermique ou Fumée de silice L = Laitier C = Cendres, une pouzzolane Les exemples 1 à 4 sont réalisés avec le ciment I et les exemples 5 à 14 avec le ciment II. Selon les cas, le fluidifiant était un polynaphta- lène (P) ou une mélamine (M). Dans le cas des exemples 7 à 12, une partie du ci- ment a été remplacée par de la silice. Le constituant secon- daire est du laitier dans l'exemple 13 et, dans l'exemple 14, des cendres volantes qui sont un des types de pouzzola- ne s. Bien entendu, d'autres ciments Portland pourraient être utilisés, la composition du coulis, notamment la pro- portion de fluidifiant et, le cas échéant, de constituant secondaire ainsique le rapport E/C étant adaptés à la compo- sition du ciment, à la structure sur laquelle on intervient et à la nature de l'opération, consolidation ou étanchemerit. 25. On constate que le ciment II a une bonne injectabilité. Ses faibles teneurs en aluminate tricalcique et aluminoferrite tétracalcique le rendent tout particuliè- rement recommandé pourles travaux en milieux sulfatés. REVENDICATIONS Coulis d'injectfon à base de ciment pour le colmatage et la consolidation de fissures fines, caractérisé par le fait qu'il est réalisé à partir d'un ciment Portland finement broyé avec élimination de toutes les particules de dimensions supérieures à 20 microns, ledit ciment étant ad- ditionné d'un fluidifiant réducteur d'eau dans une propor- tion ne dépassant pas 2% et gâché à l'eau, le rapport en poids de la quantité d'eau à la quantité de ciment ne dépas- sant pas 0.6. ' 2. Coulis d'injection selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la dimension maximale des grains du ciment est de l'ordre de 10 à 12 microns. 3. Coulis d'injection selon l'une des revendica- i5 tions I et 2, caractérisé en ce que le fluidifiant est choisi dans un groupe comprenant les Polynaphtalènes, les Mélamines et les lignosulfates. 4. Coulis d'injection selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé par le fait que la proportion de fluidifiant est comprise entre 0,5% et 1,6% en poids du total de produit sec. 5. Coulis d'injection selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé par le fait que la proportion d'eau de gâchage par rapport au ciment est à 0,40 au plus. 6. Coulis d'injection selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé par le fait que le ciment est associé à un constituant secondaire tel que laitier, pouzzo- lanes, silice ou résines dans une proportion de 0,5 à 10% en poids du total de produit sec. 7. Coulis d'injection selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé par le fait que la largeur minimale des fissures susceptibles d'être colmatées par le coulis est de l'ordre de 10 à 15 fois la dimension maximale des particules de ciment. 8. Coulis d'injection selon l'une des revendica- tions précédentes caractérisé -par le fait que le ciment contient moins de 5% d'aluminate tricalcique et moins de 8% d'aluminoferrite tétracalcique.