Brevet FR2742432A1 — publié le 19970620

L'invention concerne tout d'abord un accélérateur de rigidification pour l'étanchéification et/ou la consolidation des sols et masses poreux, des roches fissurées et des matériaux de construction altérés tels que maçonnerie, mortiers, béton, etc. L'invention concerne encore un coulis d'injection pour l'étanchéification et/ou la consolidation de sols et de matériaux de construction comprenant un tel accélérateur. L'invention concerne encore un procédé de mise en oeuvre d'un tel coulis d'injection en vue d'améliorer l'étanchéité et/ou de consolider de tels sols et matériaux de construction. Enfin, l'invention concerne également un procédé de traitement des sols pollués permettant de piéger en masse divers éléments polluants, les rendant inaccessibles aux eaux souterraines. Ces éléments peuvent être d'origine organique tels que les hydrocarbures, ou d'origine minérale, tels que notamment certains métaux lourds comme le plomb, le cadmium, le mercure, le césium, etc. Il est connu d'utiliser pour étanchéifier et/ou consolider les sols et matériaux des compositions connues sous le nom de "coulis". Ces coulis peuvent être à base de ciment ou de silicate. L'utilisation de coulis constitués d'eau et de fines particules de ciment à base de laitier de haut fourneau, parfaitement défloculé, soit mécaniquement, soit par l'utilisation d'un adjuvant non polluant, présente comme principaux inconvénients un temps de rigidification trop long et une forte décantation à des rapports ciment/eau peu élevés, malgré de bonnes caractéristiques de pénétrabilité dans les sols fins. Ceci se traduit par des phénomènes de migration par gravité, car la rigidité n'intervient qu'au bout de plus de quinze heures et n'étanche que faiblement le sol, la décantation étant trop importante pour remplir convenablement les pores du sol. L'évolution de la réglementation en matière d'environnement a pour conséquence une diminution croissante de l'utilisation de matières polluantes affectant la qualité des eaux, telles que les coulis à base de silicates de soude et de réactifs minéraux et/ou organiques, dont la rigidification est basée sur la gélification de la silice. Soumis à des phénomènes de synérèse, à savoir une auto-contraction de la silice non cristallisée, ce type de produit libère des matières pouvant provoquer la pollution des sols. Des exemples de coulis à base de silicate peuvent être trouvés dans les documents FR-A-2 571 734, FR-A-2 629 495, EP-A-0 487 414. Un premier objet de l'invention est donc de proposer un accélérateur de rigidification et un coulis d'injection, pour l'étanchéification et/ou la consolidation de sols et de matériaux de construction renfermant un tel accélérateur, qui pallie les limites ou les inconvénients des produits connus de l'état de la technique. Plus particulièrement, un objet de la présente invention est de proposer un tel accélérateur ayant pour effet d'augmenter la rigidité de la suspension de particules de ciment de laitier, de façon différée dans le temps. Plus particulièrement, un objet de la présente invention est de proposer un tel accélérateur ayant pour effet une rigidité suffisamment faible pendant la durée de l'injection pour assurer une pénétrabilité optimale et une rigidité suffisamment forte en fin d'injection pour s'opposer aux forces de gravité et à la décantation. Un autre objet de la présente invention est de proposer un coulis d'injection pour l'étanchéification et/ou la consolidation de matières poreuses fines, voire très fines, dont le durcissement est assuré par cristallisation de matières minérales provenant de l'industrie cimentière et de ses dérivés, parfaitement pérennes, non polluantes et sans synérèse, ayant de plus des temps de prise constants et réglables. Un autre objet de la présente invention est de proposer un tel coulis qui présente comme avantage de rester dans la zone traitée, d'assurer une parfaite étanchéité et d'apporter de bonnes caractéristiques mécaniques, et ce, dès quelques jours. A cet effet, l'invention propose tout d'abord un accélérateur de rigidification pour l'étanchéification et/ou la consolidation de sols et de matériaux de construction, caractérisé en ce qu'il comprend un composé alumineux. Cet accélérateur a une teneur en alumine A1203 comprise entre 8 % et 50 % en poids de matière sèche. Selon un autre aspect, l'invention propose un coulis d'injection pour l'étanchéification et/ou la consolidation de sols et matériaux de construction, caractérisé en ce qu'il comprend un accélérateur de rigidification selon l'invention. Plus particulièrement, un tel coulis comprend une suspension aqueuse de ciment de laitier de haut fourneau au clinker et un accélérateur de rigidification conforme à l'invention. L'invention propose encore un procédé d'étanchéification et/ou de consolidation de sols et de matériaux de construction, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter un coulis d'injection conforme à l'invention. Enfin, la présente invention concerne un procédé de traitement des sols pollués, caractérisé en ce qu'on utilise, pour piéger en masse les éléments polluants, un coulis conforme à la présente invention. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront clairement à la lecture de la description qui suit faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un graphe illustrant l'influence d'un accélérateur conforme à la présente invention sur l'évolution de la rigidité d'un coulis; - la figure 2 est un graphe illustrant l'influence d'un accélérateur conforme à la présente invention sur le phénomène de la décantation d'un coulis. Un coulis d'injection pour l'étanchéification et/ou la consolidation de sols et de matériaux de construction comprend tout d'abord une suspension aqueuse de ciment de laitier de haut fourneau au clinker. La proportion d'eau dans le coulis est comprise entre 100 et 1.000 litres d'eau par m3 de coulis. Le ciment de laitier type CLK comprend plus de 50 % de laitier et plus de 10 % de clinker. Dans un mode de réalisation préféré, le ciment comprend plus de 80 % en poids de laitier, 16 % en poids environ de clinker et 4 % en poids de gypse, dont la composition chimique est comprise dans les limites suivantes: CaO=40 à 50 %; SiO2=26 à 32 %; A1203=12 à 20 %. La finesse du ciment est importante: la surface spécifique Blaine peut être supérieure à 8.000 cm2/g, soit un diamètre des plus gros grains de ciment de 12 Mm, et pour traiter les terrains très fins, la surface spécifique Blaine doit être supérieure à 10.000 cm2/g, soit un diamètre des plus gros grains de ciment de 10 pm. Certains traitements des suspensions peuvent amener à utiliser des granulométries inférieures à 5 ou 6 Mm. Dans tous les cas, la granulométrie du ciment de laitier de clinker doit être inférieure à 120 Am. Dans un exemple de coulis d'injection, le ciment de laitier a une granulométrie comprise entre 5 et 15 Mm. La proportion de ciment dans le coulis d'injection est comprise entre 80 et 350 kg de ciment par m3. Une charge minérale peut être ajoutée à la suspension afin de régler les résistances en compression simple du coulis et les caractéristiques rhéologiques de la suspension. Ces charges peuvent être de fines particules de carbonate de calcium, précipité ou calcite micronisé; ou de fines particules de carbonate double de calcium et de magnésium (dolomie). Le choix de ces charges, utilisées isolément ou en combinaison, dépend de 1' acidité de l'accélérateur de rigidification utilisé. La proportion de la charge dans le coulis peut aller jusqu'à 250 kg/m3. Le coulis d'injection peut comprendre encore un agent superplastifiant et défloculant des particules en suspension dans l'eau dans une proportion allant de 2 à 4 % du poids de la matière sèche de la suspension. Enfin, le coulis comprend un accélérateur constitué d'un composé alumineux, liquide ou granulaire, ayant une teneur en alumine A1203 comprise entre 8 % et 50 % en poids de matière sèche. Cet accélérateur de rigidification peut être obtenu selon plusieurs procédés, et notamment à partir de sulfate d'aluminium A12(SO4)3, nH20. Selon un premier procédé, l'accélérateur de rigidification est obtenu à partir d'aluminate de calcium anhydre, obtenu après transformation de produits alumineux de l'industrie cimentière par mise en solution aqueuse. L'aluminate de calcium anhydre a un rapport A1203/CaO supérieur à 0,2 et de préférence compris entre 0,8 et 1,2. La faible solubilité de l'aluminate de calcium impose d'utiliser l'accélérateur ainsi obtenu dans une proportion allant jusqu'à 800 1 de solution par m3 de coulis. Dans un mode de réalisation préféré, la quantité d'accélérateur de rigidification présent dans le coulis d'injection est comprise entre 500 et 600 1/m3 de coulis. Selon un deuxième procédé, l'accélérateur de rigidification est obtenu à partir d'une solution de sulfate d'aluminium A12(SO4)3, nH2O, dosé jusqu'à 15 % du poids de ciment de solution de sulfate d'alumine à 8 % de A1203, le dosage étant préférentiellement compris entre 5 et 7 % du poids du ciment. Selon un troisième procédé, l'accélérateur de rigidification est obtenu à partir d'une solution d'aluminate de calcium sulfaté, obtenu par mélange d'une solution de sulfate d'aluminium et d'un composé contenant du calcium, tel que: la chaux vive CaO, la chaux éteinte ou portlandite Ca(OH)2, le sulfate de calcium à divers degrés d'hydratation: CaS04, nH20, O anhydrite, plâtre, etc.). La proportion de l'accélérateur de rigidification dans le coulis lorsqu'il est obtenu à partir de ce procédé est de l'ordre de celle du premier procédé décrit ci- dessus. Selon un quatrième procédé, l'accélérateur de rigidification est obtenu à partir d'une solution d'alun de potassium: sulfate double d'aluminium et de potassium, Al K(SO4)2, nH2O ou à partir de phosphate d'alumine Al P04, nH20. Dans ce cas, la proportion d'accélérateur de rigidification dans le coulis est de l'ordre de celle décrite dans le deuxième procédé mentionné ci-dessus. En d'autres termes, le coulis d'injection comprend jusqu'à 300 1, et de préférence entre 500 et 600 1 d'accélérateur de rigidification par m3 de coulis lorsque l'accélérateur est obtenu à partir d'aluminate de calcium ou à partir d'aluminate de calcium sulfaté. Le coulis d'injection comprend une quantité d'accélérateur de rigidification allant jusqu'à 15 %, et de préférence entre 5 et 7 % du poids de ciment, lorsque l'accélérateur est obtenu à partir de sulfate d'aluminium ou à partir de sulfate double d'aluminium et de potassium. Sur la figure 1, qui représente l'influence de l'accélérateur sur l'évolution de la rigidité d'un coulis en fonction du temps, la courbe obtenue en reliant les points en forme de losange correspond à un coulis sans accélérateur de rigidité, alors que la courbe obtenue en reliant les points en forme de carré correspond à un coulis comprenant 500 1/m3 d'accélérateur de rigidification obtenu à partir d'aluminate de calcium (premier procédé décrit ci- dessus). Sur la figure 2, qui représente l'influence d'un accélérateur conforme à l'invention sur la décantation d'un coulis en fonction du temps, la courbe obtenue en reliant les points en forme de triangle correspond à un coulis sans accélérateur de rigidité, la courbe obtenue en reliant les points en forme de carré correspond à un coulis comprenant 500 1/m3 d'accélérateur obtenu à partir d'aluminate de calcium (premier procédé décrit ci-dessus), avec une agitation de 10 mn; et la courbe obtenue en reliant les points en forme de losange correspond à un coulis comprenant 500 1/m3 d'accélérateur obtenu à partir d'aluminate de calcium (selon le premier procédé décrit ci- dessus), avec une agitation de 1 h. Dans la description qui suit, les lettre S, C, A, S, H ont la signification suivante: S=SiO2; C=Cao; A=A1203; S=SO3; H=H20 Le mécanisme de rigidification du produit d'injection selon l'invention ne fait pas appel à la formation de silicates de calcium hydratés appelés couramment "CSH". En effet, le coulis d'injection selon l'invention n'utilise pas de silicate de soude ou de fumée de silice amorphe lentement dissoute dans la soude, mais un accélérateur alumineux agissant de la manière suivante: le ciment de laitier est mis en solution dans l'eau. Le gypse ou l'anhydrite qu'il contient réagit avec les aluminates les plus solubles du ciment & savoir les aluminates tricalciques ou C3A pour former de l'ettringite dite primaire, peu soluble, formant une coquille imperméabilisant la surface du minéral. La réaction s'écrit: C3A + 3(CS,nH) + (32-3n)H ---> C6AS3H32 ou C3A + (CS,nH) + (12-n)H ---> C4ASH12 Ceci a pour effet de ralentir la prise et de maîtriser la granulométrie du ciment. Sous cette forme et sans accélérateur, le ciment fait prise en plus de 15 heures et doit décanter pour augmenter sa rigidité. Pour mémoire, un coulis dosé à 200 kg/m3 a une décantation de 70 % environ. L'accélérateur selon l'invention permet à la suspension de ciment de retrouver en solution des aluminates, jusqu'alors précipités sous forme d'ettringite, en proportion suffisante pour réagir sur la fraction de clinker la plus soluble à court terme à savoir les silicates tricalciques ou C3S libérant de la chaux en s'hydratant selon la réaction: C3S + (h+3-x) H20 ---> CXSHy + (3-x) CH tobermorite + chaux Ensuite, les aluminates de l'accélérateur selon l'invention vont se combiner, dans la phase aqueuse, avec la chaux libérée selon les réactions suivantes: - lorsque l'accélérateur est obtenu selon le premier procédé décrit ci-dessus: C + A --->CA CA + 10H ---> CAH10 hexagonal ou 4 CA+21H ---> C4AH12 hexagonal+3AH3 (gibbsite) 2 CA+10 H ---> C2AH7+AH3 - lorsque l'accélérateur est obtenu selon les deuxième, troisième et quatrième procédés décrits ci-dessus: la présence d'ions sulfates permet la cristallisation, avec la chaux et l'alumine, d'ettringite: A2S3,nH20 + H20 ---> 3 Aaq + 2Saq se combinant à la chaux pour donner C6AÉH32 et C4ASH12. Dans tous les cas, le fluide véhiculant -l'eau- se charge en cristaux de formes diverses dont certains peuvent fusionner et/ou s'entrecroiser, dans le fluide et à la surface des grains de ciment, armant la suspension en lui conférant une rigidité progressive. Plus particulièrement, lorsque l'accélérateur est obtenu à partir d'aluminate de calcium (selon le premier procédé décrit ci-dessus), l'apparition dans la phase aqueuse de molécules hexagonales fortement hydratées crée, par action des aluminates sur la chaux libérée par le ciment, des flocons colloïdaux au voisinage de la portlandite, puis dans le fluide. Le nombre croissant de flocons génère une rigidification de la suspension augmentant dans le temps. Lorsque l'accélérateur est obtenu selon les deuxième, troisième et quatrième procédés, la présence de sulfates crée ici de l'ettringite, de forme aciculaire, pouvant dépasser quelques dizaines de microns. Ces aiguillettes, dont le nombre et la taille augmentent dans le temps créent une charpente dans le fluide qui interagit sur les particules de ciment et crée une rigidification croissante. L'invention concerne également un procédé d'étanchéification et/ou de consolidation de sols et de matériaux de construction caractérisé en ce qu'il consiste & injecter un coulis d'injection conforme à l'invention. L'invention concerne encore un procédé de traitement des sols pollués, caractérisé en ce qu'on utilise, pour piéger en masse les éléments polluants, un coulis conforme à l'invention. L'invention sera maintenant décrite à l'aide d'exemples donnés à titre indicatif et non limitatif. EXEMPLE I Pour étancher et consolider un sable fin, on prépare un coulis de la manière suivante: 500 litres d'une suspension primaire dosée à 540 kg/m3 de ciment ultrafin de laitier au clinker avec 4 % de défloculant sont mélangés à 500 litres d'accélérateur obtenu selon le premier procédé décrit ci-dessus. La durée pratique d'injectabilité est de 1 heure (injection d'une colonne de 1 m de sable de Fontainebleau à 1 bar de pression) et le temps de prise est de 3 heures. Le coulis est homogène et la décantation finale à une heure d'agitation est inférieure à 10 %. EXEMPLE II Les conditions de préparation sont identiques à celles de l'exemple I mais les rapports sont modifies: 400 litres d'une suspension primaire dosée à 500 kg/m3 de ciment ultrafin de laitier au clinker avec 4 % de défloculant sont mélangés à 600 litres d'accélérateur obtenu selon le premier procédé décrit ci-dessus. La durée pratique d'injectabilité est de 50 minutes et le temps de prise est de 2 heures. Le coulis est homogène et la décantation finale à une heure d'agitation est inférieure à 4%. EXEMPLE III L'accélérateur est fabriqué selon le deuxième procédé décrit ci-dessus. Le coulis est constitué de 270 kg/m3 de ciment ultrafin avec 4 % de défloculant et 13,5 kg de sulfate d'aluminium (densité = 1,32) pré-dilué. La durée pratique d'injectabilité est de 1 heure et le temps de prise est de 3 heures. Le coulis est homogène et la décantation finale à une heure d'agitation est inférieure à 7 %. REVENDICATIONS 1. Accélérateur de rigidification pour l'étanchéification et/ou la consolidation de sols et de matériaux de construction, caractérisé en ce qu'il comprend un composé alumineux. 2. Accélérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il a une teneur en alumine A1203 comprise entre 8 % et 50 % en poids de matière sèche. 3. Accélérateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est obtenu à partir d'aluminate de calcium anhydre dont le rapport A1203/CaO est supérieur à 0,2 et de préférence compris entre 0,8 et 1,2. 4. Accélérateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est obtenu à partir de sulfate d'aluminium A12(SO4)3, nH20. 5. Accélérateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est obtenu à partir d'aluminium de calcium sulfaté issu d'un mélange d'une solution d'aluminium et d'un composé contenant du calcium. 6. Accélérateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le composé contenant du calcium est choisi dans le groupe constitué de la chaux vive CaO, la portlandite Ca(OH)2, le sulfate de calcium. 7. Accélérateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est obtenu à partir de sulfate double d'aluminium et de potassium A1 K(SO4)2, nH2O ou de phosphate d'alumine A1 PO4, nH2O. 8. Coulis d'injection pour l'étanchéification et/ou la consolidation de sols et de matériaux de construction, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un ou un mélange d'un accélérateur de rigidification selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9. Coulis d'injection selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend une suspension aqueuse de ciment de laitier de haut fourneau au clinker et un accélérateur de rigidification selon d'une quelconque des revendications 1 à 7. 10. Coulis d'injection selon la revendication 9, caractérisé en ce que le ciment comprend plus de 50 % en poids de laitier et plus de 10 % en poids de clinker. 11. Coulis d'injection selon la revendication 9 ou , caractérisé en ce que le ciment comprend plus de 80 % en poids de laitier, environ 16 % en poids de clinker et 4 % en poids de gypse. 12. Coulis d'injection selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que le ciment de laitier de clinker a une granulométrie inférieure à 120 &m. 13. Coulis d'injection selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que le ciment de laitier a une granulométrie comprise entre 5 et 15 Mm. 14. Coulis d'injection selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend de à 350 kg de ciment par mètre cube de coulis. 15. Coulis d'injection selon d'une des revendications 9 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend jusqu'à 800 litres, et de préférence entre 500 et 600 litres d'accélérateur de rigidification par mètre cube de coulis lorsque l'accélérateur est obtenu à partir d'aluminate de calcium ou à partir d'aluminate de calcium sulfaté. 16. Coulis d'injection selon l'une des revendications 9 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend une quantité d'accélérateur de rigidification allant jusqu'à 15 %, et de préférence entre 5 et 7 % du poids de ciment lorsque l'accélérateur est obtenu à partir de sulfate d'aluminium ou à partir de sulfate double d'aluminium et de potassium. 17. Coulis d'injection selon l'une des revendications 9 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend jusqu'à 250 kg/m3 de coulis d'une charge de carbonate de calcium et/ou de dolomie. 18. Coulis d'injection selon l'une des revendications 9 à 17, caractérisé en ce qu'il comprend un agent superplastifiant et défloculant dans une quantité comprise entre 2 et 4 % du poids de matière sèche en suspension. 19. Procédé d'étanchéification et/ou de consolidation de sols et de matériaux de construction, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter un coulis d'injection conforme à l'une des revendications 8 à 18. 20. Procédé de traitement des sols pollués, caractérisé en ce qu'on utilise, pour piéger en masse les éléments polluants, un coulis conforme à l'une des revendications 8 à 18.