Brevet FR2869971A1 — publié le 20051111

PROCEDE DE RENFORCEMENT D'UN TUYAU CYLINDRIQUE ENTERRE La présente invention est relative aux techniques de renforcement de tuyaux, et notamment à la réparation des tuyaux enterrés. Ces tuyaux appartiennent par exemple à un réseau d'adduction d'eau. Dans leur forme la plus courante, ces tuyaux sont constitués par un assemblage bout à bout de segments de tuyau en béton précontraint de relativement grand diamètre typiquement de 0,5 m à 6 m environ. L'eau y circule sous une pression pouvant aller jusqu'à une vingtaine de bars environ. Ces segments de tuyau en béton peuvent incorporer un cylindre intérieur en métal (liner). Celui-ci n'est cependant pas conçu pour tenir les efforts de pression dus au fluide en circulation. Ces efforts sont repris par des armatures passives (cage d'armature cylindrique préfabriquée) ou par la précontrainte du béton. Cette dernière est réalisée au moyen de fils enroulés en spirale à l'extérieur de l'âme en béton du segment de tuyau; lors de la préfabrication de ce segment, son âme en béton est mise en rotation autour de son axe pour recevoir le fil qui est freiné pour être mis en tension. Ce fil est ensuite protégé contre la corrosion en projetant une couche supplémentaire de béton ou mortier sur quelques dizaines de millimètres. La figure 1 montre la structure d'un tuyau en béton précontraint tel qu'utilisé dans de nombreux réseaux d'adduction d'eau. La paroi du tuyau comporte: - une âme en béton 11 incorporant un liner d'étanchéité 12 constitué d'un cylindre en acier mince et ductile (structure dite "embedded-cylinder pipe"). Le béton de l'âme 11 est réparti entre une couche interne 13 de quelques centimètres d'épaisseur située sur la face interne du tuyau, et une couche externe plus épaisse 14, le plus souvent non armée; - des fils de précontrainte 15 bobinés en une ou plusieurs couches autour de l'âme en béton; - un mortier de protection anti-corrosion 16 enrobant les fils 15 pour les passiver; 2869971 -2- une peinture ou résine optionnelle 17 améliorant la protection anticorrosion. Les tuyaux de ce type sont le plus souvent enterrés. Ils sont exposés à un risque de corrosion dépendant de l'agressivité du milieu environnant. La dégradation la plus courante est selon le mécanisme suivant: - migration d'ions agressifs au travers du mortier de protection 16; - corrosion des fils de précontrainte 15; - rupture des fils de précontrainte 15 et délaminage local; - délaminage général du mortier extérieur 16; dépassivation des fils et accélération de la corrosion. Ensuite, le mécanisme s'accélère et peut aboutir à la rupture du tuyau. Des techniques de détection magnétique ou acoustique permettent de localiser les ruptures de fils et d'évaluer l'état du tuyau. En fonction de l'état évalué, une réparation peut être décidée. La réparation est généralement effectuée par l'extérieur: on met en place de nouvelles armatures, passives ou précontraintes, autour du tuyau pour le fretter (voir par exemple WO 03/014614). On peut également procéder à des réparations par l'intérieur, en incluant au sein du tuyau une âme résistante visant à rétablir la résistance perdue par la rupture des fils de précontrainte. Les réparations par l'intérieur sont généralement plus coûteuses. Elles sont réalisées lorsque les travaux d'excavation sont impossibles ou difficiles. La réparation par l'intérieur consiste en général à placer un liner métallique au sein du tuyau. L'interstice entre le nouveau liner résistant et le tuyau est comblé avec un coulis d'injection. Une difficulté est qu'un défaut local de réalisation peut conduire à des infiltrations d'eau dans l'interstice injecté. Cette pénétration d'eau peut provoquer une mise en pression de l'âme en béton du tuyau et rendre inefficace le nouveau liner résistant. Il en résulte, à terme, un risque de rupture du tuyau à l'extérieur du nouveau liner Dans une réparation par l'intérieur, les renforts rajoutés ne peuvent pas 2869971 3 être précontraints. Lorsque le tuyau est remis en pression, ces renforts subissent une certaine déformation élastique (augmentation de leur diamètre), qui provoque une fissuration du béton de l'âme du tuyau. Le béton casse en traction pour une déformation infime, aucun matériau n'ayant la capacité de reprendre des efforts significatifs pour de tels allongements. La fissuration du béton provoque deux inconvénients. Elle détériore la résistance en flexion du tuyau et donc sa capacité à résister aux poussées dissymétriques des terres. D'autre part, elle permet à la corrosion de progresser depuis le milieu extérieur vers l'intérieur du tuyau. Ceci risque de provoquer une corrosion anticipée du nouveau renfort lorsqu'il est métallique. Ce problème conduit souvent à écarter les solutions de réparation par l'intérieur à base de liners métalliques. Un but de la présente invention est de proposer une technique perfectionnée de réparation par l'intérieur. L'invention propose ainsi un procédé de renforcement d'un tuyau cylindrique enterré, dans lequel on réalise un renfort structurel composite à l'intérieur du tuyau, par stratification in situ d'au moins une bande de fibres de renforcement et d'une matrice de résine, la bande étant disposée suivant un trajet sensiblement hélicoïdal le long de la face interne du tuyau. Lorsque le tuyau est remis en service, la pression du liquide tend les fibres de la bande qui, si elle est convenablement dimensionnée, pourra reprendre l'essentiel des efforts radiaux. La structure composite évite les risques de corrosion rencontrés par les solutions utilisant des liners métalliques. L'agencement hélicoïdal permet de réaliser la stratification in situ du composite, ce qui facilite la mise en oeuvre et évite les problèmes de raccordement étanche, la bande se recouvrant elle- même à chaque tour. La bande peut notamment se composer principalement de fibres de carbone, dont les qualités en tant que fibres de renforcement sont bien établies. Les tuyaux concernés comprennent généralement une âme en béton dans laquelle est incorporé un liner métallique, avec éventuellement un ou plusieurs fils de précontrainte enroulés autour de l'âme en béton et enrobés d'un mortier protecteur. La porosité du renfort composite, même très bien réalisé, est faible mais reste relativement élevée en comparaison avec celle des liners métalliques. Pour éviter les inconvénients qui en résultent, une possibilité est de retirer le béton de l'âme situé sur le côté interne du liner dans un tronçon de réparation du tuyau, et de faire adhérer le renfort structurel composite directement sur le liner. On évite ainsi les espaces interstitiels entre le liner et le renfort composite, susceptibles d'être progressivement envahis par l'eau si le renfort composite n'est pas parfaitement étanche. Il convient en effet d'éviter 7o que l'eau vienne au contact du liner en communiquant à celui-ci la pression interne du tuyau, car cela rendrait inefficace la nouvelle peau résistante dont le rôle est de reprendre cette pression pour soulager la structure fragilisée précédemment en place. Dans une autre réalisation, on fait adhérer le renfort structurel composite sur le béton de l'âme situé sur le côté interne du liner dans le tronçon de réparation. Ceci simplifie la mise en oeuvre, en évitant d'avoir à retirer le béton de la face interne sur une grande longueur. Si on craint les défauts d'étanchéité du renfort composite, une disposition avantageuse consiste à percer des trous de drainage à travers le liner dans le tronçon de réparation avant de placer le renfort structurel composite. Ces trous de drainage peuvent ne pas déboucher de l'âme en béton, ce qui limite la contamination du liner par des agents extérieurs. Si une petite quantité d'eau parvient à s'infiltrer à travers le renfort composite, elle est drainée à l'extérieur du liner de sorte que celui-ci n'est pas mis en pression. Pour réaliser l'étanchéité aux extrémités du tronçon de réparation, on y retire localement le béton de l'âme situé sur le côté interne du liner, et on fait adhérer le renfort structurel composite directement sur le liner. On aligne de préférence les extrémités du tronçon de réparation avec des joints entre des tronçons cylindriques consécutifs assemblés pour former le tuyau. Dans une réalisation avantageuse, on perce dans l'âme du tuyau des trous qui traversent le liner et s'étendent dans le béton de l'âme situé sur le côté externe du liner, et on scelle des armatures dans lesdits trous avant de 2869971 -5- placer le renfort structurel composite. Ces armatures connectent le nouveau renfort en cisaillement avec l'âme du tuyau au travers du liner et procurent ainsi une résistance aux moments négatifs générés dans le tuyau lors de sa remise en pression. Il en résulte un contrôle du processus de fissuration du béton, évitant de larges fissures qui laisseraient pénétrer des agents extérieurs agressifs jusqu'au liner. Une variante avantageuse consiste à disposer une couche de matériau compressible entre la face interne du tuyau et le renfort structurel composite. Ce matériau, par exemple une mousse ou de la feutrine absorbe en s'écrasant o les déformations du renfort dues à l'allongement des fibres de la bande lorsque le tuyau est remis en pression. Il évite ainsi de communiquer la pression de service au liner. Un autre aspect de la présente invention se rapporte à un ouvrage souterrain, comprenant un tuyau cylindrique renforcé en exécutant un procédé tel que présenté ci-dessus. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1, précédemment commentée, est une vue en coupe de la paroi d'un tuyau auquel l'invention peut s'appliquer; - la figure 2 est une vue en perspective d'un tuyau réparé selon l'invention; - les figures 3 à 5 sont des vues en coupe de parois de tuyaux réparés selon plusieurs modes de réalisation de l'invention. Dans le procédé selon l'invention, on dispose un renfort composite 20 à l'intérieur d'un tuyau souterrain endommagé. Ce renfort se compose d'une bande de fibres 21 enroulée selon un trajet hélicoïdal le long de la face interne du tuyau, comme illustré par la figure 2 (sur laquelle le matériau de sol entourant le tuyau n'a pas été représenté). Les tuyaux concernés sont de préférence de type "embedded-cylinder pipe", comme décrit précédemment en référence à la figure 1. Leur diamètre 2869971 -6- est suffisant pour permettre l'intervention d'un opérateur humain à l'intérieur, par exemple de 1,5 à 4,5 m. La pression de service dans le tuyau peut aller jusqu'à environ 0,5 MPa. Les fibres de renforcement de la bande 21 sont en un matériau résistant (résistance à la rupture typiquement supérieure à 1500 MPa) et de module élastique élevé (typiquement entre 100 et 400 GPa). Des fibres de carbone seront généralement utilisées pour cela (résistance à la rupture de l'ordre de 3000 MPa). A titre d'exemple, les bandes 21 ont une largeur de 600 mm, et elles se composent de fibres de carbone orientées dans le sens o chaîne, avec une petite proportion de fibres de verres disposées dans le sens trame pour obtenir un tissu cohérent. Le renfort composite 20 est posé de la façon suivante, lors de travaux de réparation effectués sur un tronçon du tuyau après vidange: on prépare si nécessaire la face interne du tronçon de réparation, mécaniquement et/ou chimiquement (nettoyage, sablage, dégraissage...); on enduit cette face d'un film mince de résine à l'état fluide; on applique la bande de fibres de carbone 21, éventuellement pré-imprégnée de résine, sur le film de résine encore à l'état fluide en lui faisant suivre son trajet hélicoïdal le long de la face interne du tuyau. A titre d'exemple, on peut prévoir que l'avancement de la bande sur un tour d'enroulement corresponde à environ la moitié de la largeur de la bande, ce qui assure deux épaisseurs de fibres sur la surface du tuyau; on maroufle cette bande pour la faire pénétrer dans la résine et l'imprégner totalement; et on fait polymériser la résine. La résine utilisée peut avoir une base époxydique. La résine est thermodurcissable, et prévue pour polymériser à température ambiante. C'est par exemple une résine époxy bi-composants du type mentionné dans EP-A-O 799 951. 2869971 -7- Dans la réalisation illustrée par la figure 3, l'étape préalable de préparation de la surface interne du tuyau comprend l'enlèvement de la couche interne de béton 13 dans le tronçon de réparation. Ceci expose le liner 12 sur lequel on vient appliquer directement le renfort composite 20. On élimine ainsi les interstices entre le renfort composite 20 et le liner 12 du fait de la très bonne adhérence du composite sur l'acier. Dans la réalisation illustrée par la figure 4, la couche interne de béton 13 est maintenue dans le tronçon de réparation, sauf à ses extrémités où on expose le liner 12. La bande de fibres 21 est placée selon le trajet hélicoïdal 7o entre les deux extrémités du tronçon. Avant de la mettre en place, on installe sur la face interne du tuyau une couche 25 de matériau déformable en compression. Cette couche 25 est par exemple réalisée en mousse de polyuréthane ou en feutrine sur une épaisseur d'un à quelques centimètres. Son rôle est d'absorber la dilatation du renfort qui se produit par allongement des fibres de carbone lorsque le tuyau est remis en pression, en évitant que cette pression soit transmise à l'âme 11 du tuyau. On peut ainsi éliminer les problèmes de fissuration du béton. Aux extrémités du tronçon de réparation, la couche déformable 25 est interrompue afin que le renfort composite 20 vienne adhérer directement sur le liner 12. Ceci ferme de manière étanche le volume occupé par la couche de béton résiduelle 13 et la couche déformable 25, et évite ainsi que la pression interne se retrouve dans ce volume. Une étanchéité suffisante sera typiquement obtenue avec une interface collée renfort/liner s'étendant sur une longueur de quelques centimètres. Comme le montre la figure 4, on peut aménager la zone d'interruption de la couche de béton 13 pour lui donner un profil en biseau (par exemple sur une longueur d'une à quelques dizaines de centimètres en fonction l'épaisseur de la couche 13), afin que le renfort change de niveau en douceur. Les extrémités du tronçon de réparation, où le nouveau renfort 20 adhère directement sur le liner 12, sont avantageusement prévus au droit des joints entre les segments de tuyau consécutifs, qui sont en général des joints à emboîtement. Grâce à la bonne adhérence du composite sur l'acier, cette 2869971 -8- disposition assure une bonne protection à proximité des joints, où la corrosion est souvent plus susceptible de s'établir qu'au milieu des segments. La porosité non nulle du renfort composite peut éventuellement laisser infiltrer de l'eau dans le volume occupé par la couche de béton résiduelle 13 et la couche déformable 25, mais dans des quantités très faibles si le renfort est appliqué soigneusement. Pour évacuer cette eau vers l'extérieur avant que la pression puisse s'établir dans ce volume, une disposition judicieuse consiste à réaliser des drains à travers l'ancien liner 12. Ces drains consistent en des trous 28 percés dans le béton de l'âme 11 avant d'appliquer le renfort 20. Les trous 28 traversent les couches 13 et 12 et s'étendent sur une certaine profondeur dans la couche de béton 14. Il est préférable de ne pas les faire déboucher de cette couche 14 pour éviter de sectionner les fils de précontrainte 15 avec l'outil de perçage. Les drains sont par exemple réalisés avec un trou 28 tous les 1 ou 2 m2. La microfissuration du béton de la couche 14 permet à l'eau infiltrée d'être évacuée vers l'extérieur au-delà des drains 28. Dans la réalisation illustrée par la figure 5, on ne cherche pas à empêcher la fissuration du béton lors de la remise en pression du tuyau. Le renfort composite 20 est collé directement sur la couche de béton 13. Pour contrôler la fissuration qui se produit du fait de l'allongement des bandes de fibres, on réalise une connexion en cisaillement avec l'âme en béton à travers le liner 12. Cette connexion peut être réalisée à l'aide d'armatures en forme de barreaux s'étendant radialement dans l'âme en béton 11 et disposés à intervalles réguliers sur la surface réparée. Avant d'appliquer le renfort 20, on perce des trous dans l'âme du tuyau et on y engage les armatures 31-33. Les armatures 31-33 sont scellées dans les trous, par exemple à l'aide de la même résine que celle employée pour constituer la matrice du renfort 20. Ces armatures 31, 33 peuvent consister en des mèches de fibres de carbone enduites de résine d'adhérence et enfilées dans les trous. Leurs extrémités dépassantes sont étalées en éventail sur la surface avant d'être recouvertes par le renfort (voir EP-A-O 837 201) pour connecter l'âme en béton 11 au renfort composite 20 et au liner métallique 12. Certaines de ces 2869971 -9- armatures (33 sur la figure 5) peuvent rester confinées à la couche de béton superficielle 13, pour la connecter au renfort composite 20. Dans une variante, les armatures 32 consistent en des barreaux en acier enfoncés dans les trous préalablement percés. Ces barreaux permettent 5 de connecter l'âme en béton 11 au liner 12. -10-REVENDICATIONS 1. Procédé de renforcement d'un tuyau cylindrique enterré, dans lequel on réalise un renfort structurel composite (20) à l'intérieur du tuyau, par stratification in situ d'au moins une bande de fibres de renforcement (21) et d'une matrice de résine, la bande étant disposée suivant un trajet sensiblement hélicoïdal le long de la face interne du tuyau. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la bande (21) se compose principalement de fibres de carbone. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le tuyau comprend une âme en béton (11) dans laquelle est incorporé un liner métallique (12) . 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le tuyau comprend en outre au moins un fil de précontrainte (15) enroulé autour de l'âme en béton (11) et enrobé d'un mortier protecteur (16). 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel, dans un tronçon de réparation du tuyau, on retire le béton de l'âme (13) situé sur le côté interne du liner (12), et on fait adhérer le renfort structurel composite (20) directement sur le liner. 6. Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel, dans un tronçon de réparation du tuyau, on fait adhérer le renfort structurel composite (20) sur le béton de l'âme (13) situé sur le côté interne du liner (12). 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on perce des trous de drainage (28) à travers le liner (12) dans le tronçon de réparation avant de placer le renfort structurel composite (20). 2869971 -11- 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel les trous de drainage (28) ne débouchent pas de l'âme en béton (11). 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel, aux extrémités du tronçon de réparation, on retire le béton de l'âme (13) situé sur le côté interne du liner (12), et on fait adhérer le renfort structurel composite (20) directement sur le liner. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel on aligne les extrémités du tronçon de réparation avec des joints entre des tronçons cylindriques consécutifs assemblés pour former le tuyau. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 10, dans lequel on perce dans l'âme du tuyau (11) des trous qui traversent le liner (12) et s'étendent dans le béton de l'âme (14) situé sur le côté externe du liner, et on scelle des armatures (31-33) dans lesdits trous avant de placer le renfort structurel composite (20). 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on dispose une couche de matériau compressible (25) entre la face interne du tuyau et le renfort structurel composite (20). 13. Ouvrage souterrain, comprenant un tuyau cylindrique renforcé en exécutant un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.