Brevet FR3023856A1 — publié le 20160122

Arrière-plan de l'invention La présente invention porte sur le domaine technique de la fabrication in situ d'éléments constitués par mélange du sol en place avec un matériau d'apport. Une telle technique est communément appelée 5 « procédé de mélange de sol profond », en anglais « deep soit mixing ». L'invention porte plus particulièrement sur un procédé de fabrication d'un élément dans un sol par une technique de mélange de sol profond. Dans ce procédé, le matériau d'apport est le plus souvent un liant 10 hydraulique contenant généralement du ciment de type Portland. Par mélange avec le sol, on obtient un matériau offrant des propriétés mécaniques spécifiques. Cette technique comporte toutefois plusieurs inconvénients. En premier lieu, le matériau obtenu présente une mauvaise durabilité : il 15 tend en effet à se dégrader suite à une exposition prolongée à l'air et aux conditions climatiques extérieures, ou bien suite à une exposition prolongée à certains polluants du sol. Par exemple, lorsqu'un sol pollué par la présence de sulfates est utilisé pour fabriquer l'élément, on peut constater l'apparition de phénomènes de gonflement. 20 Ensuite, ce type de liant hydraulique contenant du ciment Portland est connu pour présenter une mauvaise empreinte carbone. Objet et résumé de l'invention Un but de la présente invention est de remédier aux inconvénients 25 précités en proposant un procédé permettant de fabriquer, à l'aide d'une technique de mélange de sol profond, un élément dans un sol ayant une meilleure durabilité et une meilleure empreinte carbone que ceux de l'art antérieur. Pour ce faire, l'invention porte sur un procédé de fabrication d'un 30 élément dans un sol, comportant : une étape de forage d'une excavation dans le sol ; et une étape de mélange in situ du sol en place de l'excavation avec un géopolymère. La géométrie de l'excavation dépend de l'outil de forage utilisé. Il 35 peut s'agir d'une tranchée ou d'un forage longiligne, selon la forme de l'élément à fabriquer. On comprend donc que le sol de l'excavation est déstructuré lors de l'étape de forage, et est mélangé avec le géopolymère pour former le matériau constitutif de l'élément. Après durcissement du matériau, on obtient l'élément. Le géopolymère, également appelé ciment géopolymère, résulte généralement du mélange d'un minéral silico - alumineux avec un réactif alcalin. Le ciment géopolymère est connu pour présenter une empreinte carbone très inférieure à celui du ciment Portland. En outre, il est peu 10 corrosif. A ce titre, WO 2011/020975 fournit un exemple d'un ciment géopolymèrique non corrosif. Aussi, l'élément obtenu après durcissement du matériau résultant du mélange du sol en place avec le géopolymère présente une meilleure résistance aux agressions chimiques du sol, ce qui lui confère une plus 15 grande durabilité. Le procédé selon l'invention permet ainsi de fabriquer notamment des parois, écrans ou colonnes dans le sol présentant une meilleure durabilité, ce qui présente un grand intérêt dès lors que les ouvrages de soutènement sont généralement prévus pour durer longtemps. 20 Le procédé objet de l'invention trouvera donc son application, notamment : dans la construction d'éléments sous forme d'inclusions de sol unitaires de section quelconque (rectangulaire, circulaire, carrée, ou autre), en présence ou pas de nappe phréatique ; 25 dans la construction d'éléments sous forme d'inclusions de sol de forme linéique, sous forme d'un écran continu, ou sous forme d'une succession d'éléments unitaires adjacents les uns aux autres ; dans la construction d'écrans de faible perméabilité ; dans la construction d'écrans de soutènement provisoires ou 30 permanents. Dans une variante, le procédé comporte en outre une étape d'insertion dans l'excavation d'un organe de rigidification, tel que par exemple une cage d'armature, avant la prise du géopolymère. Selon un premier mode de mise en oeuvre, le procédé selon l'invention comporte une étape d'injection dans l'excavation d'une 35 composition contenant un géopolymère, de sorte que, lors de l'étape de mélange, la composition est mélangée in situ avec le sol. 3 02 3 85 6 3 Ainsi, selon ce premier mode de réalisation, la composition contenant le géopolymère est injectée dans l'excavation pour être mélangée in situ avec le sol excavé. Le géopolymère est préférentiellement préparé en surface, par 5 exemple sous forme de coulis ou de mortier, préalablement à son injection dans l'excavation, au voisinage de l'outil de forage et mélangeage. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre, on injecte dans l'excavation une base alcaline afin de former in situ le géopolymère par réaction de la base alcaline avec le sol en place. La base alcaline réagit alors avec le minéral silico - alumineux présent naturellement dans le sol. On comprend donc que le géopolymère est synthétisé in situ dans l'excavation, pendant le mélange avec le sol en place. Selon un troisième mode de mise en oeuvre, on fournit un outil de forage et de mélangeage, et le procédé comporte une phase de descente de l'outil de forage et de mélangeage suivie d'une phase de remontée de l'outil de forage et de mélangeage, le procédé comportant une étape d'injection d'une première composition lors de la phase de descente, et une étape d'injection d'une seconde composition lors de la phase de remontée, l'étape de forage ayant lieu pendant la phase de descente, l'étape de mélange comportant une première phase de mélange in situ du sol en place avec la première composition lors de la phase de descente, suivi d'une seconde phase de mélange in situ de la seconde composition avec le sol en place préalablement mélangé avec la première composition, la seconde phase de mélange ayant lieu lors de la phase de remontée, le géopolymère étant formé in situ par réaction de la première composition avec la seconde composition. Ainsi, le géopolymère est formé pendant la phase de remontée de l'outil de forage et mélangeage, tout en étant mélangé avec le sol excavé, afin de former le matériau constitutif de l'élément. Ce troisième mode de mise en oeuvre présente plusieurs avantages. Tout d'abord, il permet avantageusement de maitriser la prise du géopolymère. On comprend en effet que le procédé permet d'activer de manière différée le durcissement du matériau constitué par le mélange de 35 géopolymère et du sol excavé, le durcissement ayant lieu après la phase de descente, de préférence après la phase de remontée. 302 3 856 4 Il permet ainsi d'éviter la prise du géopolymère pendant la phase de descente, ce qui risquerait de rendre difficile la remontée de l'outil, notamment dans le cas de forage à grande profondeur. Un autre avantage est qu'il permet également de fabriquer 5 l'élément en deux temps, la phase de remontée pouvant avoir lieu plusieurs heures ou jours après la phase de descente. Avantageusement, la première composition contient un minéral silico - alumineux tandis que la seconde composition contient une base alcaline, ou bien, selon une variante, 10 la première composition contient une base alcaline tandis que la seconde composition contient un minéral silico - alumineux. De préférence, la première composition, injectée lors de première étape de mélange, est un liquide comprenant des particules de silice alumineuse, tandis que la seconde composition, injectée lors de la 15 seconde étape de mélange, est du silicate alcalin sous forme liquide. Selon une variante, les première et seconde compositions, sous forme liquide, sont injectées sous haute pression, par exemple à une pression supérieure à 5 MPa. La première et/ou seconde composition peut également être 20 injectée dans le sol sous forme pulvérulente. Dans ce cas, on injecte si nécessaire de l'eau. Pour la mise en oeuvre de ce troisième mode de réalisation, on pourra utiliser par exemple les outils de forage et mélange décrits dans les documents WO 2007/116178 et EP 1 878 833, ou tout autre outil de 25 forage et mélangeage. Selon un quatrième mode de mise en oeuvre, préalablement à l'étape de forage, on forme une prétranchée dans le sol, on remplit cette prétranchée d'une première composition, procédé dans lequel on réalise ensuite une étape d'injection d'une seconde composition dans l'excavation 30 pendant l'étape de forage, et dans lequel : l'étape de forage consiste à forer une tranchée au droit de la prétranchée contenant la première composition afin d'entrainer la première composition dans l'excavation, et l'étape de mélange consiste à mélanger le sol en place avec les 35 première et deuxième compositions, le géopolymère étant formé in situ par réaction de la première composition avec la seconde composition. Ainsi, lors de l'étape de forage, la première composition contenue dans la prétranchée est amenée dans l'excavation pour y être mélangée, au cours de l'étape de mélange, avec le sol en place et avec les première et deuxième compositions, et ce afin de former le matériau constitutif de l'élément, à savoir un matériau résultant du mélange du sol en place avec un géopolymère obtenu par réaction des première et deuxième compositions. Avantageusement, la première composition contient un minéral silico - alumineux tandis que la seconde composition contient une base alcaline, ou bien, selon une variante, la première composition contient une base alcaline tandis que la seconde composition contient un minéral silico - alumineux. De préférence, la première composition, qui est répandue dans la prétranchée, est un minéral silico-alumineux, tandis que la seconde composition est une solution liquide de silicate alcalin. Pour la mise en oeuvre de ce quatrième mode, on pourra avantageusement utiliser un outil de forage et mélangeage continu, de type trancheuse, muni d'une lame verticale. La seconde composition est préférentiellement injectée dans l'excavation via des buses disposées le long de la lame. L'invention concerne enfin un élément dans un sol obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 25 précédentes, ledit élément étant constitué de sol en place mélangé avec une composition contenant un géopolymère. De préférence, mais non exclusivement, ledit élément est un élément de soutènement. 30 Brève description des dessins L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - les figures lA à 1D illustrent un premier mode de mise en 35 oeuvre de l'invention ; 3 02 3 856 6 - les figures 2A à 2C illustrent un deuxième mode de mise en oeuvre de l'invention ; - les figures 3A à 3C illustrent un troisième mode de mis en oeuvre de l'invention ; et 5 - les figures 4A à 4C illustrent un quatrième mode de mise en oeuvre de l'invention. Description détaillée de l'invention A l'aide des figures 1A à 4C, on va décrire successivement, à titre 10 non limitatif, quatre modes de mise en oeuvre du procédé objet de la présente invention. Le premier mode de mise en oeuvre va être décrit à l'aide des figures lA à 1D. Dans cet exemple, le premier mode de mise en oeuvre utilise l'outil 15 de forage et mélangeage décrit dans le document EP 1 878 833. Bien entendu, d'autres outils de forage et mélange peuvent être utilisés dans le cadre de ce premier mode de mise en oeuvre, tel que par exemple, l'outil décrit en WO 2007/116178, ou bien encore les tarières verticales simples ou doubles. 20 Dans cet exemple, on fabrique un élément dans le sol S se présentant sous la forme d'une colonne C. Pour ce faire, on réalise tout d'abord une étape de forage d'une excavation E dans le sol S, en introduisant dans le sol S un outil de forage et mélangeage 10 rotatif autour d'un axe vertical X. Comme on le constate sur les figures 1A à 1D, l'outil de forage et de mélangeage 10 traverse une portion tubulaire 12 préalablement introduite dans le sol S à forer. Cette étape d'insertion préalable de la portion tubulaire 12 est toutefois facultative. L'opération de forage est réalisée ici en mettant l'outil 10 en rotation tout en injectant un fluide de forage F. Comme on le constate sur la figure 1C, après que l'outil de forage et de mélangeage 10 a franchi la portion tubulaire 12, deux ailes 14 se déploient radialement afin d'augmenter le diamètre de l'excavation. Après que l'outil de forage et de mélangeage 10 a atteint la profondeur de forage désirée, l'outil est remonté. Pendant cette phase de 35 remontée, l'outil de forage et de mélangeage 10 continue à tourner autour de l'axe de rotation vertical X, et on injecte dans l'excavation une 302 3 8 5 6 7 composition G contenant un géopolymère, de sorte que, lors de la phase de remontée, on réalise une étape de mélange dans laquelle la composition G contenant le géopolymère est mélangée in situ avec le sol excavé. 5 Dans cet exemple, la composition G est un gel amorphe de silice obtenu par l'action d'un silicate alcalin (soude potasse ou autre) sur un minéral silico alumineux (par exemple des cendres, un laitier, un métakaolin). La colonne C constituée du mélange de sol excavé avec le géopolymère G présente une faible porosité et une bonne tenue aux 10 agressions chimiques. Il a également été constaté que la formation du gel est nettement plus rapide que le processus d'hydratation du ciment. Enfin, une fois le gel formé par précipitation et mélangé au sol excavé, il n'y a plus d'évolution de résistance en fonction du temps. 15 On comprend donc que ce gel G est préparé en surface et est injecté dans l'excavation lors de la phase de remontée de l'outil de forage et de mélangeage 10, tout en étant mélangé in situ avec le sol. Après durcissement, on obtient une colonne constituée d'un matériau présentant une meilleure durabilité que les colonnes réalisées à 20 l'aide d'un liant hydraulique constitué d'un mélange bentonite/ciment. A l'aide des figures 2A à 2C, on va décrire maintenant un deuxième mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Dans cet exemple, on utilise un outil de forage et mélangeage 20 comprenant deux tambours de forage et de mélangeage qui sont rotatifs autour d'axes horizontaux. 25 On se référera au document WO 2007/116178 pour une description plus détaillée de cet outil. Dans ce mode de mise en oeuvre, tel que décrit en figure 2A, on réalise une étape de forage d'une excavation sous forme de tranchée T dans le sol S en descendant l'outil 20 précité. Une fois que ce dernier a 30 atteint la profondeur de forage désiré, il est remonté. Pendant cette phase de remontée, on injecte dans la tranchée une base alcaline B tout en continuant de faire tourner les tambours de forage et de mélangeage afin de former in situ dans la tranchée le géopolymère par réaction de la base alcaline avec le minéral silico - alumineux contenu dans le sol en place. Comme base alcaline on pourra utiliser par exemple du silicate de potassium, ou du silicate de soude. 302 3 8 5 6 8 A l'aide des figures 3A à 3C, on va maintenir décrire un troisième mode de mise en oeuvre du procédé objet de l'invention. Selon ce mode de mise en oeuvre, on fournit un outil de forage et de mélangeage 20, similaire à celui illustré aux figures 2A à 2C. 5 On réalise une étape de forage qui a lieu lors d'une phase de descente de l'outil de forage et de mélangeage, illustré en figure 3A. Selon l'invention, on réalise une étape d'injection d'une première composition A lors de la phase de descente tout en réalisant une première phase de mélange in situ du sol en place avec la première composition A. 10 Ainsi, lors de la phase de descente, on fore la tranchée T tout en mélangeant in situ le sol en place avec la première composition A. Après que l'outil de forage et mélangeage 20 a atteint la profondeur désirée, illustrée en figure 3B, on remonte l'outil de forage et mélangeage. 15 Lors de cette phase de remontée, on injecte une seconde composition B dans le sol et on réalise une seconde phase de mélange in situ de la seconde composition B avec le sol en place préalablement mélangé avec la première composition A. La seconde phase de mélange a donc lieu lors de la phase de remontée de l'outil de forage et de 20 mélangeage. Le géopolymère G est formé in situ par réaction de la première composition A avec la seconde composition B selon : A + -> G 25 Dans cet exemple, la première composition A injectée lors de la descente comprenant 700 kg de cendres volantes. On injecte également un liquide sous la forme d'un mélange eau et bentonite (20 à 30 kg). Pendant la phase de remontée, on malaxe le mélange sol/première 30 composition A préalablement réalisé pendant la phase de descente, et on injecte la seconde composition B sous la forme d'un mélange d'eau, de soude et de silicate (par exemple 300 I d'eau, 115 kg de soude et 310 kg de silicate). Après durcissement du matériau résultant du mélange de sol 35 excavé et de géopolymère G, on obtient une paroi moulée P2 dans le sol S. 3 0 2 3 8 5 6 9 Comme on l'a compris, ce troisième mode de mise en oeuvre peut alternativement être réalisé à l'aide de l'outil illustré aux figures 1A à 1D. A l'aide des figures 4A à 4C, on va maintenant décrire un quatrième mode de mise en oeuvre du procédé objet de l'invention. 5 On fournit un outil de forage et de mélangeage 30, à savoir une trancheuse qui comporte une lame 32 s'étendant verticalement ; cette lame 32 est reliée à un porteur 34. Le déplacement du porteur 34 permet de fabriquer une excavation sous forme d'une tranchée continue T. Un tel outil de forage et de mélangeage 30 est bien connu par ailleurs et ne 10 sera pas décrit plus en détail ici. Selon le procédé, on forme tout d'abord une prétranchée 40 dans le sol S que l'on remplit d'une première composition A. Dans cet exemple, il s'agit d'un minéral silico-alumineux. La profondeur de cette prétranchée est de l'ordre de 20 centimètres à 1 mètre. 15 On réalise ensuite une étape de forage qui consiste à forer une tranchée T au droit de la prétranchée 40 qui contient la première composition A, et ce afin d'entraîner la première composition A dans l'excavation. Concomitamment à l'étape de forage, on injecte dans la tranchée une seconde composition B, et on mélange in situ le sol en place 20 avec les première et deuxième compositions A, B, afin de former le matériau constitutif de l'élément à fabriquer, à savoir une paroi continue P3. Dans cet exemple, la deuxième composition est une solution de silicate alcalin liquide qui est pompée dans la tranchée au travers de buses 25 42 disposées le long de la lame 32. La réaction des première et deuxième compositions A,B forme in situ un géopolymère qui se retrouve simultanément mélangé avec le sol en place. Après durcissement, on obtient la paroi continue P3. 30 REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un élément (C, P1, P2, P3) dans un sol (S), comportant : une étape de forage d'une excavation (E/T) dans le sol (S) ; et une étape de mélange in situ du sol en place de l'excavation 10 avec un géopolymère (G). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'injection dans l'excavation d'une composition contenant un géopolymère (G), de sorte que, lors de l'étape de mélange, la 15 composition est mélangée in situ avec le sol. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on injecte dans l'excavation une base alcaline afin de former in situ dans l'excavation le géopolymère par réaction de la base alcaline avec le 20 sol en place. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on fournit un outil de forage et de mélangeage (20), et dans lequel l'étape de forage comporte une phase de descente de l'outil de forage et de 25 mélangeage suivie d'une phase de remontée de l'outil de forage et de mélangeage, le procédé comportant une étape d'injection d'une première composition (A) lors de la phase de descente, et une étape d'injection d'une seconde composition (B) lors de la phase de remontée, l'étape de forage ayant lieu lors de la phase de descente, 30 l'étape de mélange comportant une première phase de mélange in situ du sol en place avec la première composition (A) lors de la phase de descente, suivi d'une seconde phase de mélange in situ de la seconde composition (B) avec le sol en place préalablement mélangé avec la première composition (A), la seconde phase de 35 mélange ayant lieu lors de la phase de remontée, le géopolymère 302 3 8 5 6 11 (G) étant formé in situ par réaction de la première composition (A) avec la seconde composition (B). 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, préalablement à l'étape de forage, on forme une prétranchée (40) dans le sol (S), on remplit cette prétranchée d'une première composition, procédé dans lequel on réalise ensuite une étape d'injection d'une seconde composition dans l'excavation pendant l'étape de forage, et dans lequel : l'étape de forage consiste à forer l'excavation sous forme de tranchée au droit de la prétranchée contenant la première composition (g1) afin d'entrainer la première composition dans l'excavation, et l'étape de mélange consiste à mélanger le sol en place avec les première et deuxième compositions, le géopolymère étant formé in situ par réaction de la première composition avec la seconde composition. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, dans lequel : la première composition (A) contient un minéral silico alumineux tandis que la seconde composition contient une base alcaline, ou la première composition (B) contient une base alcaline tandis que la seconde composition contient un minéral silico - alumineux. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la base alcaline contient une solution de silicate alcalin. 8. Elément (C,P1,P2,P3) dans un sol (S) obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, ledit élément étant constitué du sol en place mélangé avec une composition contenant un géopolymère.35