Brevet FR2705337A1 — publié le 19941125

COULIS MINERAL POUR CONSOLIDATION OU ETANCHEMENT DES SOLS La présente invention concerne un coulis essentiellement, voire entièrement, minéral et un procédé de préparation de ce coulis, ce procédé pouvant être mis en oeuvre pour l'étanchement et/ou la consolidation des sols et/ou des matériaux de construction par injection. Le traitement des sols et/ou des matériaux de construction par injection consiste à remplir des fissures, des cavités ou des interstices avec des coulis de natures diverses destinés à modifier les caractéristiques du terrain ainsi traité. Ces modifications portent soit sur l'amélioration des propriétés mécaniques des terrains dans le cas de la consolidation, soit sur la diminution de la perméabilité dans le cas de l'étanchement. Il est possible également de traiter par injection pour modifier les deux propriétés. Jusqu'à ces dernières années, l'étanchement et la consolidation des sols ou des matériaux de construction s'effectuaient principalement par injection de coulis organiques. Mais, les produits de synérèse de ces coulis (décomposition des produits chimiques injectés ou formés) occasionnent des pollutions des nappes phréatiques et des eaux de surface. Ainsi, le soucis majeur, à l'heure actuelle, des spécialistes injecteurs dans le domaine de l'étanchement et/ou de la consolidation des sols est la préservation de la qualité des nappes phréatiques et des eaux de surface telles que cours d'eau et retenues. Ce soucis a donc conduit à l'utilisation de coulis minéraux. Afin de satisfaire techniquement et économiquement aux nouvelles contraintes imposées par ces considérations écologiques, les recherches ont conduit à des résultats publiés notamment dans des brevets. Ainsi, dans le brevet français n 2.571.734, il est décrit un coulis aqueux injectable pour la consolidation et/ou l'étanchement des sols qui comprend des fines particules de silice amorphe et des particules de chaux éteinte. Toutefois, ce coulis présente l'inconvénient d'avoir un temps de prise trop long (d'environ 2 jours). On a également décrit dans le brevet français n 2.528.441 un agent d'étanchement et/ou de consolidation de sols comprenant une solution sodique concentrée de silice spécifique et, éventuellement, de la chaux ou un sel de calcium. La silice dissoute réagit avec le calcium pour former des cristaux de silicates de calcium hydratés. Cependant, ces coulis présentent les inconvénients soit de posséder des propriétés mécaniques finales peu satisfaisantes, soit d'avoir un temps de prise trop court, incompatible avec l'application souhaitée, soit encore d'être trop visqueux initialement. Il est donc souhaitable et c'est un des buts de la présente invention de proposer un procédé de préparation d'un coulis permettant de contrôler le temps de prise. Un autre but de la présente invention est de proposer un coulis présentant, après durcissement, des propriétés mécaniques satisfaisantes et des caractéristiques non -polluantes dans le cas d'une utilisation de ce coulis dans l'étanchement et/ou la consolidation de sols ou de matériaux de construction. Ces buts et d'autres sont atteints par la présente invention qui concerne en effet un coulis caractérisé en ce qu'il est susceptible d'être obtenu par la mise en contact d'une solution de silicate de métal alcalin, d'une solution de polyphosphate de métal alcalin et d'un composé à base de calcium partiellement hydrosoluble. L'invention couvre aussi le procédé de préparation d'un coulis, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre une solution de silicate de métal alcalin, une solution de polyphosphate de métal alcalin, un composé à base de calcium partiellement hydrosoluble. Le procédé selon la présente invention présente l'avantage d'être simple et économique de mise en oeuvre. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre et des exemples donnés à titre non limitatif. Le coulis et le procédé de préparation de ce coulis selon l'invention comportent ou mettent en oeuvre, comme il l'a été stipulé ci-dessus, un certain nombre d'éléments qui vont maintenant être étudiés plus précisément. Pour tout le reste de la description, tout ce qui est décrit au sujet desdits éléments s'applique tant au coulis qu'au procédé qui utilisent ces éléments. De préférence, le métal alcalin présent dans les composés mis en oeuvre dans le procédé de la présente invention est le sodium. Pour des raisons de clarté et de simplicité, dans ce qui suit ou ce qui précède, si le terme "sodium" ou "soude" sont employés, il peuvent respectivement désigner les termes plus génériques "métal alcalin" ou "hydroxyde de métal alcalin". De manière avantageuse, le procédé met en oeuvre une solution de silicate de métal alcalin de rapport pondérai SiO2/M20 supérieur ou égal à 1,3, de préférence supérieur ou égal à 2; M représentant un métal alcalin. Dans ce qui suit, ce rapport sera nommé Ri. La solution de silicate de métal alcalin possède généralement environ 10 à % d'extrait sec, de préférence environ 30 à 50% d'extrait sec. Pour des raisons pratiques tenant notamment compte de la viscosité du coulis à préparer, la solution de silicate de métal alcalin est introduite de telle sorte que sa teneur en SiO2 dans le coulis soit de préférence inférieure ou égale à 20% en poids, et de façon encore plus préférentielle comprise entre environ 5 et 10 % en poids. Selon l'invention, on entend par solution de polyphosphate de métal alcalin, toute solution de polyphosphate de longueur de chaîne moyenne supérieure ou égale à 3. Ainsi, on peut citer, à titre d'exemples, le tripolyphosphate de sodium, le pentapolyphosphate de sodium et l'hexamétaphosphate de sodium. Ces produits sont couramment utilisés et vendus. On utilise généralement une solution aqueuse de polyphosphate de sodium. La solution aqueuse utilisée est préférentiellement proche de la saturation en polyphosphate. Ainsi, à titre d'exemples, on peut utiliser une solution aqueuse de tripolyphosphate de sodium à environ 8% en poids de P205, une solution aqueuse de pentapolyphosphate de sodium à environ 23% en poids de P205 et une solution aqueuse d'hexamétaphosphate de sodium à environ 28% en poids de P205. De manière pratique et préférentielle, les quantités introduites de silicate et de polyphosphate sont telles que le rapport pondérai SiO2/P205 est supérieur ou égal à 1. Selon l'invention, on peut utiliser comme composé à base de calcium partiellement hydrosoluble tout sel de calcium, tel que le chlorure de calcium, du carbonate de calcium, de la chaux, des composés mixtes, tels que les calciomagnésiens, ou leur mélange. De manière avantageuse, le composé à base de calcium partiellement hydrosoluble est la chaux ou un mélange chaux- carbonate de calcium. Dans le cas d'une utilisation de ce procédé dans l'étanchement et/ou la consolidation des sols ou des matériaux de construction, la granulométrie de ce composé à base de calcium partiellement hydrosoluble est choisie en fonction de la taille des interstices qui existent dans le matériau ou le sol à traiter. De manière pratique, le composé à base de calcium partiellement hydrosoluble est de la chaux micronisée, plus particulièrement de la chaux dont le diamètre moyen est compris entre 0,5 et 9 Ulm, de préférence entre 1 et 4!tm. Selon une variante préférée de l'invention, de la soude est ajoutée aux autres composés cités ci-dessus. Ainsi, la quantité de métal alcalin total correspond préférentiellement à la quantité nécessaire pour que le rapport pondérai final SiO2/M20 soit inférieur à 1,5, de préférence pour qu'il soit compris entre environ 0,3 et 1,3, de façon encore plus préférentielle entre environ 0, 4 et 1,1; M représentant le métal alcalin total. Par métal alcalin total, on entend le métal alcalin introduit sous toutes ses formes lors de la mise en oeuvre du procédé, et plus particulièrement le métal alcalin provenant des solutions de silicate et de polyphosphate ou d'hydroxyde de métal alcalin. Dans ce qui suit, ce rapport sera nommé Rf. Les composés peuvent être introduits simultanément, lors de la mise en oeuvre du procédé. Cependant, selon un mode particulier et préféré de réalisation de l'invention, le procédé est caractérisé en ce que les solutions de silicate de métal alcalin et de polyphosphate de métal alcalin sont mélangées et en ce que le composé à base de calcium partiellement hydrosoluble est ensuite ajouté à ce dit mélange. Selon ce mode particulier et préféré, I'effet de retard à la prise du coulis ainsi obtenu en est d'autant plus accentué. Selon ce mode particulier et dans le cas o de la soude est ajoutée, la soude est ajoutée soit simultanément avec le composé à base de calcium partiellement hydrosoluble, soit postérieurement. On préfère, selon l'invention, mettre en oeuvre la solution de silicate de métal alcalin et le composé à base de calcium partiellement hydrosoluble de telle sorte que le rapport molaire Ca/Si dans le coulis soit compris entre environ 0,25 et 1, de préférence compris entre environ 0,3 et 1. Le coulis ainsi obtenu prend tardivement, tout en évitant de présenter une viscosité trop élevée, néfaste à l'application consolidation et/ou étanchement des sols ou des matériaux de construction. On préfère également mettre en oeuvre la solution de polyphosphate de métal alcalin de telle sorte que sa teneur en P205 dans le coulis soit comprise entre environ 3 et 12% en poids, de préférence compris entre environ 5 et 10% en poids, pour un coulis contenant au plus 20 % en poids de SiO2. Ainsi, un coulis particulièrement avantageux à préparer selon l'invention est caractérisé en ce qu'il présente environ: - jusqu'à 20 % en poids de SiO2; - de 3 à 12 % en poids de P205, le rapport pondérai SiO2/P205 étant supérieur ou égal à 1; - un rapport molaire Ca/Si compris entre 0,25 et 1; - un rapport pondérai SiO2/M20 inférieur ou égal à 1,5; M représentant le métal alcalin total. Préférentiellement, le coulis selon l'invention est caractérisé en ce qu'il présente environ: - de 5 à 15 % en poids de SiO2; - de 5 à 10 % en poids de P205, le rapport pondérai SiO2/P205 étant supérieur ou égal à 1; - un rapport molaire Ca/Si compris entre 0,3 et 1; - un rapport pondérai SiO2/M20 compris entre 0,3 et 1,3, de manière encore plus préférentielle compris entre 0,4 et 1,1; M représentant le métal alcalin total. Selon une variante de l'invention, le procédé est caractérisé en ce qu'il met également en oeuvre de fines particules de silice, telles que notamment de la fumée de silice, de préférence condensée, ou de la silice de précipitation. Cette variante est particulièrement intéressante lorsque l'on veut obtenir un coulis de faible viscosité initiale, tout en présentant après durcissement des propriétés mécaniques satisfaisantes. La quantité maximale de fines particules de silice à ajouter peut donc aller jusqu'à ce que la teneur en SiO2 dans le coulis soit de %, de manière encore plus préférentielle de 15% (cette teneur correspond alors à la quantité de silice présente dans la solution de silicate de métal alcalin et à celle présente dans les fines particules de silice). Dans le cas o le procédé décrit ci-dessus est mis en oeuvre pour étanchement ettou la consolidation des sols ou des matériaux de construction, les composés utilisés sont soit injectés séparément dans le matériau à traiter, soit préférentiellement mélangés préalablement pour être ensuite injectés ensemble dans le matériau à injecter. La première variante présente l'inconvénient d'être compliquée dans sa mise en oeuvre, tout en créant des incertitudes sur la qualité du traitement (risque d'une présence hétérogène des constituants dans les interstices). Les pourcentages, dans ce qui suit et ce qui précède, sont exprimés en poids sauf mention contraire. Des exemples illustrant les divers aspects de l'invention, sans en limiter sa portée, vont maintenant être donnés. Exemple 1 Dans un bêcher, on mélange: - une solution de silicate de sodium de rapport pondérai Ri (SiO2/Na20) = 3,3 et d'extrait sec 33 %, - une solution d'hexamétaphosphate de sodium à environ 28 % en poids de P205. On ajoute ensuite dans ce bêcher une suspension sodique de chaux micronisée commercialisée par Baithazard et Cotte (94,8% Ca(OH)2, 3,4% CaCO3 et de diamètre moyen de 3 gm). Les quantités des produits introduits sont telles que le coulis obtenu comprenne une teneur en SiO2 de 10% en poids, un rapport molaire Ca/Si de 0,5, une teneur en P205 de 7,1 % en poids et un rapport Rf de 0,75. Le coulis ainsi obtenu présente une viscosité initiale de 27 centipoises. Le temps de prise qui correspond au temps mis par le coulis ainsi obtenu pour ne plus couler le long de la paroi du bêcher quand on renverse celui-ci est de 10 minutes. Exemple 2 On procède de la même façon que dans l'exemple précédent, les différences résident en ce que: - la chaux est remplacée par le carbonate de calcium en suspension à 20% commercialisé par Sturge (Calofort U , diamètre moyen de 1 lm) - les quantités de produits introduits sont telles que le coulis obtenu présente une teneur en SiO2 de 6,5% en poids, un rapport molaire Ca/Si est de 0,5, une teneur en P205 de 4,75% en poids et un Rf de 0,43. Le temps de prise qui correspond au temps mis par le coulis ainsi obtenu pour ne plus couler le long de la paroi du bêcher quand on renverse celui-ci est de 5 minutes. REVENDICATIONS 1.1 Procédé de préparation d'un coulis, caractérisé en ce que l'on met en contact une solution de silicate de métal alcalin, une solution de polyphosphate de métal alcalin et un composé à base de calcium partiellement hydrosoluble. 2./ Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le métal alcalin est le sodium. 3/. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la solution de silicate de métal alcalin présente un rapport pondéral SiO2/M20 supérieur ou égal à 1,3, de préférence supérieur ou égal à 2; M représentant un métal alcalin. 4/. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la solution de silicate de métal alcalin possède environ 10 à 55% d'extrait sec, de préférence 30 à 50% d'extrait sec. /. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la solution de silicate de métal alcalin est introduite de telle sorte que sa teneur en SiO2 dans le coulis soit inférieure ou égale à 20% en poids, et de façon préférentielle comprise entre environ environ 5 et 15 % en poids. 6/. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la solution de polyphosphate est une solution de tripolyphosphate de métal alcalin, de pentapolyphosphate de métal alcalin ou d'hexamétaphosphate de métal alcalin. 7/. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la solution de polyphosphate est une solution aqueuse préférentiellement proche de la saturation. 8/. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les quantités introduites de silicate et de polyphosphate sont telles que le rapport pondérai SiO2/P205 est supérieur ou égal à 1. 9/. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composé à base de calcium partiellement hydrosoluble est choisi parmi un sel de calcium, du carbonate de calcium, des mixtes, tels que les calciomagnésiens, ou leur mélange. 10/. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composé à base de calcium partiellement hydrosoluble est de la chaux micronisée, plus particulièrement de la chaux dont le diamètre moyen est compris entre environ 0,5 et 9 Ftm, de préférence entre environ 1 et 4 [Lm. 11/. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que de l'hydroxyde de métal alcalin est ajouté. 12/. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la quantité de métal alcalin total correspond à la quantité nécessaire pour que le rapport pondérai final SiO2/M20 soit inférieur à 1,5, de préférence pour qu'il soit compris entre 0,3 et 1,3; M représentant le métal alcalin total. 13/. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les solutions de silicate de métal alcalin et de polyphosphate de métal alcalin sont mélangées et en ce que le composé hydrosoluble est ensuite ajouté à ce dit mélange. 14/. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport molaire Ca/Si dans le coulis est compris entre environ 0,25 et 1, de préférence compris entre environ 0,3 et 1. /. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la teneur en P205 dans le coulis est comprise entre environ 3 et 12% en poids, de préférence entre environ 5 et 10% en poids, pour un coulis contenant au plus environ 20 % en poids de SiO2. 161. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que de fines particules de silice sont ajoutées. 171. Coulis, caractérsié en ce qu'il est susceptible d'être obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes 18/. Coulis, caractérisé en ce qu'il présente environ: - jusqu'à 20 % en poids de SiO2; - de 3 à 12 % en poids de P205, le rapport pondérai SiO2/P205 étant supérieur ou égal à 1; - un rapport molaire Ca/Si compris entre 0,25 et 1; - un rapport pondérai SiO2/M20 inférieur ou égal à 1,5; M représentant le métal alcalin total. 19/. Coulis selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il présente environ: - de 5 à 15 % en poids de SiO2; - de 5 à 10 % en poids de P205, le rapport pondérai SiO2/P205 étant supérieur ou égal à 1; - un rapport molaire Ca/Si compris entre 0,3 et 1; - un rapport pondérai Si02/M20 compris entre 0,3 et 1,3, de manière encore plus préférentielle compris entre 0,4 et 1,1; M représentant le métal alcalin total. /. Utilisation du coulis selon l'une quelconque des revendications 17 à 19 pour l'étanchement et/ou la consolidation des sols et/ou des matériaux de construction par injection.