Brevet FR3030609A1 — publié le 20160624

TRAITEMENT DE DEBLAIS DE FORAGE EN VUE DE LEUR ASSECHE1VIENT. L'invention a pour objet les procédés de traitement de déblais de forage, et plus particulièrement les procédés permettant de modifier la consistance des déblais humides tels que les déblais issus de forage à la boue. La boue de forage est typiquement versée dans le puits ou la tranchée de forage au fur et à mesure que des déblais sont extraits pour remplacer les déblais et soutenir les parois du puits de forage (on parle alors de fluide stabilisateur). Les forages sont notamment réalisés à la boue pour stabiliser le sol dans le cadre d'exécution de parois moulées, par exemple pour réaliser des fondations d'ouvrages, ou pour réaliser des ouvrages souterrains, tels que des parkings. De tels forages permettent à l'aide d'une grue de forage, de creuser une tranchée profonde en remplissant celle-ci de boue de forage pour en soutenir les parois au fur et à mesure de l'excavation, puis d'insérer une armature métallique dans la tranchée et remplir la tranchée de béton, faisant ainsi remonter la boue de forage injectée précédemment dans la tranchée. Les déblais extraits de la tranchée avant la coulée de béton sont des mélanges de terre, de roche et de boue de forage dont la structure hétérogène ne permet pas une valorisation aisée. Il est donc nécessaire de mettre ces déblais en décharge dans un centre d'enfouissement technique. Une telle mise en décharge impose cependant de respecter certaines exigences de composition des déblais, notamment en produits polluants, et aussi du point de vue de la teneur en eau de ces déblais (que l'on peut caractériser par des valeurs de siccité ou d'humidité). Cette teneur en eau est classiquement estimée par des mesures d'humidité qu'il est possible de réaliser à l'aide d'un humidimètre électronique. Différentes solutions d'assèchement des déblais de forage existent actuellement. L'assèchement naturel consiste à laisser sécher les déblais à température ambiante. L'eau présente dans les déblais tend à s'infiltrer dans les terres sous-jacentes. Cette solution n'est pas réaliste pour les déblais contenant de la boue bentonitique qui ne sèche pas dans ces conditions. La séparation mécanique consiste à séparer par centrifugation la portion la plus humide des déblais d'une portion plus sèche qui peut alors être mise en décharge. La séparation mécanique nécessite une installation lourde compte tenu de la quantité importante de déblais à traiter. Elle peut être réalisée à l'aide d'une centrale de traitement spécifique par exemple pour traiter les déblais à granulométrie fine comme ceux extraits d'un forage à haveuse hydraulique, dispositif qui broie les matériaux extraits du sol en même temps qu'il creuse la tranchée ou le puits de forage. Une telle centrale comprend par exemple un scalpeur pour cribler les déblais, des tamis pour séparer les plus grosses granulométries, et des centrifugeuses pour séparer les particules fines. En sortie de la centrale, la boue bentonitique est séparée des déblais de forage. Une séparation mécanique n'est applicable que pour des déblais au préalable broyés. Elle n'est donc pas applicable en l'état aux déblais de forage issu d'excavation à la benne. L'assèchement des déblais peut aussi être effectué par floculation. La floculation est une réaction chimique entre un agent floculant et l'eau. Cet agent est généralement du ciment, qui en tant que matériau chargé négativement forme, au contact de l'eau chargée positivement, un agglomérat qui est le produit solide de la réaction. La réaction, appelée plus communément prise, nécessite une durée qui dépend du matériau introduit. Cette solution est souvent adoptée dans le contexte de chantier, car elle ne nécessite pas de mise en oeuvre lourde de matériel technique. Cette solution nécessite tout de même de mélanger des quantités importantes de ciment aux déblais, et le temps de prise supérieur à l'ordre de la journée peut parfois immobiliser un chantier, ce qui engendre des coûts importants en terme de matériels et personnels immobilisés, voire en terme de pénalités vis-à-vis du commanditaire du chantier. L'invention a pour but de proposer une méthode de traitement de déblais, en particulier de déblais contenant des boues argileuses, par exemple des boues bentonitiques, qui permette une évacuation des déblais hors du chantier à un rythme plus soutenu que les procédés de traitement par floculation traditionnelle à l'aide du ciment. A cette fin, l'invention propose un procédé d'assèchement de déblais issus de forage profond à la boue, dans lequel on extrait du sol des déblais contenant de la boue de forage. On ajoute aux déblais de la chaux vive ou un réactif de traitement contenant au moins 15% en masse de chaux vive, et on mélange la chaux ou le réactif contenant la chaux aux déblais en vue d'assécher ceux-ci. Par forage profond on entend ici un forage nécessitant de soutenir à l'aide d'un fluide stabilisateur les parois de la tranchée ou du puits de forage pendant l'opération de creusement. Selon un mode de réalisation préféré, le réactif peut comprendre une proportion de chaux vive supérieure ou égale à 30% en masse, avantageusement supérieure ou égale à 50% en masse, de préférence supérieure ou égale à 70% en masse, préférentiellement supérieure ou égale à 80% en masse. Selon un mode de réalisation préféré, le réactif peut comprendre une proportion de chaux vive supérieure ou égale à 80% en masse. La boue peut être une boue de forage classiquement utilisée pour soutenir les parois du forage, par exemple une boue argileuse, de préférence de type bentonitique. Selon un mode de réalisation préférentiel, le procédé peut être appliqué aux forages pour parois moulées, notamment aux forages à la boue permettant de réaliser des fondations d'ouvrages. Avantageusement, les déblais peuvent être transférés du point de forage vers un contenant de stockage intermédiaire, dans lequel on verse ensuite le réactif contenant la chaux pour l'ajouter aux déblais. Le contenant peut être typiquement une fosse de stockage intermédiaire. De préférence, on évalue au moins une fois la siccité des déblais à assécher et on ajoute le réactif contenant la chaux jusqu'à atteindre une siccité des déblais supérieure à un seuil. Le seuil de siccité retenu peut être par exemple supérieur ou égal à 50% (ce qui correspond à 50% d'humidité), et de préférence supérieur ou égal à 60% (ce qui correspond à une valeur d'humidité inférieure ou égal à 40%). La siccité peut être évaluée de manière visuelle, l'aspect des déblais se transformant sensiblement lorsqu'ils franchissent certains seuils de siccité. La siccité peut également être par exemple évaluée par les propriétés mécaniques des déblais en cours d'assèchement, en manipulant ceux-ci avec une pelleteuse. En effet, à partir d'une siccité supérieure à 60%, la stabilité des talus ou merlons réalisés à partir de ces déblais est assurée. La siccité peut également être évaluée avec une sonde d'humidité de type humidimètre électronique, ou par la méthode dite "de la plaque chauffante " ou "de la poêle à frire" selon les norme NF P94-049-2 ou encore par la technique de caractérisation décrite dans la norme EN 1097-6 qui permet de déterminer la teneur en eau pondérale d'un échantillon de matériau. L'évaluation de la siccité peut être faite à plusieurs reprises, et donner lieu à un ajout supplémentaire de réactif, ou peut être réalisée après un premier ajout et un premier mélange de réactif, pour vérifier que le seuil souhaité est au moins atteint, ou éventuellement dépassé. L'ajout du réactif de traitement peut être effectué à l'aide d'une trémie équipée d'une vis sans fin. L'ajout se fait ainsi de manière plus progressive que si l'on verse en une seule fois la quantité de chaux à ajouter. On limite ainsi en partie les risques de projection liés à l'extinction de la chaux et la dispersion de poussières de chaux. La trémie peut être une trémie doseuse à débit contrôlé. De préférence la trémie doseuse est actionnée par un opérateur se trouvant à distance du contenant de stockage, ou derrière un dispositif d'isolement par rapport aux émanations et poussières provenant du contenant de stockage. L'ajout progressif permet de limiter les diffusions de poussières contenant de la chaux, et permet de limiter l'intensité des réactions entre l'eau des déblais et la chaux vive. On peut envisager des modes de réalisation dans lesquels une quantité de réactif est ajoutée en une seule fois aux déblais contenus dans le contenant de stockage intermédiaire. On peut effectuer le mélange en malaxant les déblais présents dans le contenant de stockage jusqu'à obtenir une modification perceptible de la siccité d'au moins la moitié du volume de déblais présents initialement dans le contenant de stockage. Selon un mode de réalisation préférentiel, on malaxe les déblais présents dans le contenant de stockage de manière à obtenir une modification perceptible de la siccité d'au moins les trois quarts des déblais présents, voire de la quasi-totalité du volume de déblais présents. Par modification perceptible de la siccité on entend une modification qui est déjà perceptible du point de vue visuel par un homme du terrain, ou par une évaluation mécanique sur place telle qu'une évaluation de la stabilité de talus. On peut considérer qu'une telle modification perceptible se produit notamment si le déblai passe d'une siccité inférieure ou égale à 60% (selon la norme NF P94-049-2) à une siccité supérieure à 65% selon la même norme. Avantageusement, le temps de malaxage peut être inférieur ou égal à 5 minutes par mètre cube de déblais présents initialement dans le contenant de stockage. Selon un mode de réalisation avantageux, le temps de malaxage est inférieur ou égal à 2 minutes par mètre cube de déblais présents initialement dans le contenant de stockage. De manière préférentielle, on extrait, sous un délai inférieur à 48h à partir du début de l'ajout du réactif de traitement, les déblais traités par le réactif, hors du contenant de stockage. Les déblais extraits du sol peuvent être transportés depuis la tranchée ou le puits d'excavation par un système de convoyage continu, et on peut ajouter un débit maîtrisé de réactif de traitement aux déblais au fur et à mesure de leur transport par ce système de convoyage continu. Selon une variante de réalisation, on ajoute aux déblais à assécher, un produit contenant essentiellement un mélange de chaux vive et de chaux éteinte. On peut par exemple ajouter aux déblais à assécher, du réactif de traitement de manière à ce que la quantité de chaux vive soit supérieure ou égale à lkg pour 1 tonne de déblais à assécher. Selon un mode de réalisation, la quantité de chaux vive ajoutée peut être supérieure ou égale à 10kg de chaux pour 1 tonne de déblais à assécher. On assure ainsi un assèchement rapide des déblais avec un temps de malaxage réduit du mélange déblais plus réactif. De manière préférentielle, la quantité de chaux vive ajoutée peut rester inférieure à 50kg de chaux pour 1 tonne de déblais à assécher, afin de ne pas introduire dans les déblais un excédent de sulfates souvent présents dans les réactifs de chaux vive commercialisés. On peut également envisager des modes de réalisation dans lesquels la quantité de chaux vive est inférieure ou égale à lkg pour 1 tonne de déblais à assécher. Ces modes de réalisation peuvent demander des temps de malaxage plus élevés, mais permettent d'assurer que la teneur finale en chaux des déblais reste inférieure au seuil de un pour mille en masse, qui est communément considéré comme un seuil critique pour les sols du point de vue environnemental. La quantité de chaux vive peut être par exemple comprise entre 0,2 et 1 kg par tonne de déblais à assécher. Avantageusement, on ajoute aux déblais du sol, du réactif de traitement de manière à ce que la quantité de réactif ajouté soit inférieure ou égale à 50kg pour 1 tonne de déblais. On évite ainsi les effets de dilution proscrits lors de mises en décharge. De manière préférentielle, la quantité de réactif ajouté peut être inférieure ou égale à 20kg par tonne de déblais, de préférence inférieure ou égale à 10kg par tonne de déblais, et selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, inférieure ou égale à 2kg par tonne de déblais, voire inférieure ou égale à lkg par tonne de déblais. Selon un mode de réalisation de l'invention, au moins une partie des déblais traités avec le réactif est réutilisée sur le chantier même sur lequel le forage a été effectué, par exemple en tant que remblais, ou pour d'autres usages. Le schéma simplifié de procédé illustré par la figure annexée permet de comprendre quelques buts, caractéristiques et avantages de l'invention. Cette variante de procédé selon l'invention est donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et peut faire l'objet de nombreuses variantes. Lors d'une étape 1, un forage est réalisé à l'aide d'une grue de forage qui extrait de la matière du sol en même temps que de la boue de forage, typiquement, de la boue bentonitique. La boue est déversée dans la tranchée ou le puits de forage pour en soutenir les parois et éviter que ces parois ne s'effondrent. Les matériaux ainsi imbibés de boue, extraits par la grue de forage sont évacués comme illustré à l'étape 2, en chargeant les déblais contenant le matériau extrait et contenant la boue sur un camion. L'étape 2 se déroule conjointement à l'étape 1. Le procédé comprend une étape 3 de transport vers un contenant de stockage intermédiaire, typiquement vers une fosse creusée dans le sol sur le chantier, à proximité du lieu de forage, c'est-à-dire accessible à partir du forage sans circuler sur les voies publiques. D'autres modes de transport peuvent être envisagés, qui ne sont pas illustrés sur la figure, par exemple un transport par tapis roulant. Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention, les déblais sont cumulés dans le contenant de stockage intermédiaire comme illustré à l'étape 4. Lorsque la quantité de déblai accumulée atteint un certain seuil, qui peut être défini en masse ou en volume, on commence à ajouter, à l'étape 5, un réactif contenant de la chaux vive, afin que cette chaux vive réagisse avec l'eau contenue dans les déblais. Il est possible d'ajouter une quantité connue à l'avance de réactif, cette quantité connue à l'avance étant par exemple calculée en fonction du volume de déblai cumulé avant le déclenchement de l'opération de traitement, et de la nature de ces déblais. Cette première quantité connue de réactif peut être rajoutée de manière plus ou moins progressive, par exemple en déchirant un sac de réactif au-dessus du contenant de stockage intermédiaire, ou en ajoutant de manière plus progressive la quantité souhaitée en la versant à l'aide d'une trémie doseuse, dont le débit est connu. Sans vouloir être lié par une théorie, la réaction utile dans l'assèchement des déblais par ajout d'un réactif selon l'invention pourrait être l'extinction de la chaux libre par l'eau des déblais: CaO + H20 Ca(OH)2 + 1155 kJ/kgCa0. Le composé solide ainsi formé est appelé chaux éteinte, également désignée sous le nom chimique d'hydroxyde de calcium Ca(OH)2. La chaux éteinte peut ensuite dans certaines conditions réagir avec le CO2 présent dans l'air pour former : Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H20. Cette réaction formerait alors un précipité calcaire et de l'eau, ce qui pourrait aller à l'encontre de l'effet escompté. Comparativement avec la première transformation de la chaine réactionnelle, cette libération d'eau par la chaux éteinte ne semble pas prédominante. Une grande partie de la chaux vive resterait donc a priori à l'état de chaux éteinte, consommant ainsi la quantité d'eau nécessaire à l'extinction de la chaux. La réaction génèrerait semble-t-il 1155 kJ par kg de chaux vive introduite. Cela correspond à une réaction très exothermique. La chaleur dégagée pourrait donc produire une évaporation d'une partie de l'eau qui accentue le phénomène d'assèchement des déblais. Les déblais, une fois mis en contact avec la chaux, peuvent atteindre, une siccité supérieure à 60%, ce qui est le but recherché. Le procédé comprend une étape de malaxage 7 qui peut être réalisé par exemple à l'aide d'une pelle mécanique. L'opérateur de la pelle mécanique est bien sûr protégé par une cabine qui les met à l'abri de la poussière de chaux et des projections liées à l'extinction de la chaux. L'opération de malaxage peut être réalisée en une seule fois après l'ajout de la première quantité de réactif, ou peut être réalisée en plusieurs fois en effectuant l'ajout de la quantité de réactifs en plusieurs étapes entre lesquelles le malaxage est effectué. Le procédé comporte ensuite une étape 8 de vérification de la siccité des déblais afin de vérifier que ceux-ci ont une siccité supérieure à un seuil donné. Ce seuil de siccité peut être par exemple imposé par les exigences de décharges vers lesquelles on souhaite évacuer les déblais, ou peut résulter du niveau d'étanchéité des camions dans lesquels on souhaite transporter les déblais, ainsi que des risques de déversements hors du camion au cours du transport. La valeur de la siccité peut être évaluée par la méthode dite de la "Poêle à frire" selon la norme NF P94-049-2 ou encore selon la méthode décrite dans la norme EN 1097-6, soit par des sondes de type connu, comme des humidimètres électroniques ou, de manière usuelle, en évaluant l'aspect et/ou le comportement mécanique des déblais. Cette évaluation peut se faire en manipulant les déblais manuellement ou à l'aide d'une pelle mécanique, et en constatant la bonne stabilité d'un talus ou d'un merlon réalisé avec ces déblais traités. Si lors de l'étape 8 de première estimation de siccité, le niveau de siccité souhaité n'est pas obtenu, le procédé peut comporter une ou plusieurs étapes 9 dans lesquelles on effectue un ajout complémentaire de réactif associé à un malaxage complémentaire des déblais. Une fois le niveau de siccité 8 obtenu, les déblais sont extraits du contenant de stockage intermédiaire, et sont évacués à une étape 10, par exemple vers une décharge ou un centre d'enfouissement technique. Par rapport à des procédés de traitement connus, le procédé selon l'invention présente notamment l'avantage de limiter un temps d'immobilisation At entre le début d'ajout de réactif, et le moment où l'on est en mesure d'extraire des déblais à la siccité souhaitée hors du contenant de stockage intermédiaire. Typiquement cette durée d'immobilisation At est généralement inférieure à 24h. Si les disponibilités de matériel de transport et de personnes pour effectuer les différentes opérations ne sont pas toutes réunies, ce délai peut être plus long mais reste souvent inférieur à 48h. Le procédé selon l'invention est particulièrement adapté aux sols fins, c'est-à-dire aux sols qui contiennent des proportions notables d'argiles et de limons, qui ont des propriétés défavorables lorsqu'ils sont mélangés à un fluide de forage (boue bentonitique ou même de l'eau). En effet, ces sols gonflent et deviennent plastiques en présence d'eau. Plus généralement, pour tout type de terrain, l'excavation sous fluide de forage (fluide stabilisateur) rend les déblais semi-liquides (amène la siccité des déblais à une valeur inférieure à 60%). Sous boue de forage de type bentonitique, ces propriétés sont encore plus dégradées : les déblais sont alors difficilement chargeables à la pelle mécanique en raison de leur consistance qui ne permet pas d'avoir une stabilité suffisante quand on cherche à en faire des merlons ou des talus. Une diminution de la teneur en eau peut être obtenue par l'addition de chaux qui modifie de façon sensible le comportement des sols mélangés à la boue bentonite. Il semblerait en effet que : - l'hydratation de la chaux (chaux vive) consomme de l'eau lors de la réaction; - cette réaction exothermique contribue à dégager de la chaleur qui participe à l'évaporation de l'eau; - le malaxage favorise les deux points précédents. L'ajout de chaux provoquerait une agglomération des particules fines de bentonite présentes dans la boue en éléments plus grossiers et friables (phénomène de floculation). L'adjonction du réactif entraîne une amélioration notable des propriétés mécaniques des déblais. L'invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation décrit et peut se décliner en de nombreuses variantes. Le transport vers le stockage peut être effectué par des moyens continus tels qu'un tapis roulant. La quantité de déblais accumulés avant de dégager le début d'ajout de réactifs peut varier d'un lot de déblais à un autre. La siccité et peut être éventuellement évaluée avant le premier rajout de réactif afin d'estimer de manière plus précise la première quantité de réactif à ajouter. Le malaxage peut être effectué par d'autres moyens qu'une pelle mécanique, ou pourrait être effectué directement sur un camion adapté déjà chargé des déblais en vue de leur évacuation. Les procédés tels que décrits précédemment permettent d'assurer un assèchement efficace des déblais, dans un temps très réduit, en ajoutant des réactifs relativement peu polluants. Dans certaines variantes de réalisation, les mesures de siccités peuvent s'accompagner de mesures du pH du produit final, et l'ajout de réactif peut être limité pour ne pas dépasser une valeur maximale de pH des déblais traités. L'invention permet une évacuation des déblais hors du chantier à un rythme plus soutenu que nombre de procédés existants. L'invention évite également d'augmenter outre mesure le volume des déblais à évacuer à cause du volume induit par l'ajout des produits traitants. En effet, selon un mode de réalisation avantageux, on peut ajouter aux déblais du sol, du réactif de traitement de manière à ce que la quantité de réactif ajouté soit inférieure ou égale à 30kg pour 1 tonne de déblais. L'invention permet également d'augmenter la capacité de chargement des camions. L'invention permet aussi, grâce à une augmentation rapide de la siccité des déblais, de faciliter le stockage sur site des déblais. Les déblais humides chargés en boue bentonitique passent de manière quasi-instantanée d'un état plastique à un état solide, friable, non collant. Leur manipulation sur chantier devient aisée, le comportement du sol au chargement est grandement amélioré. Il est même possible d'envisager un réemploi de ces déblais une fois traités en tant que remblais. Les opérations conduisant à l'obtention de déblais ayant la siccité finale souhaitée, mobilisent des moyens en hommes et en machine relativement peu coûteux. REVENDICATIONS1. Procédé d'assèchement de déblais issus de forage profond à la boue, dans lequel on extrait du sol des déblais contenant de la boue de forage, caractérisé en ce que l'on ajoute (5) aux déblais, un réactif de traitement contenant au moins 15% en masse de chaux vive, et en ce que l'on mélange (7) le réactif aux déblais en vue d'assécher ceux-ci. 2. Procédé d'assèchement selon la revendication 1, dans lequel le réactif de traitement comprend au moins 50% de chaux vive en masse. 3. Procédé d'assèchement selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel les déblais extraits du sol sont transportés de la tranchée ou du puits d'excavation par un système de convoyage continu, et dans lesquels on ajoute un débit maîtrisé de réactif de traitement aux déblais au fur et à mesure de leur transport par ce système de convoyage continu. 4. Procédé d'assèchement selon les revendications 1 ou 2, dans lequel les déblais sont transférés (2) de la tranchée ou du puits de forage vers un contenant de stockage intermédiaire, dans lequel on verse (5,9) ensuite le réactif contenant la chaux pour l'ajouter aux déblais. 5. Procédé d'assèchement selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on évalue (8) au moins une fois la siccité des déblais à assécher et on ajoute (5,9) le réactif contenant la chaux jusqu'à atteindre une siccité des déblais supérieure à un seuil. 6. Procédé d'assèchement selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on effectue l'ajout (5, 9) du réactif de traitement à l'aide d'une trémie. 7. Procédé d'assèchement selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5 à 6 lorsqu'elles dépendent de la 4, dans lequel on malaxe (7) les déblais présents dans le contenant de stockage demanière à obtenir une modification perceptible de la siccité d'au moins la moitié du volume de déblais présents initialement dans le contenant de stockage. 8. Procédé d'assèchement selon la revendication 7, dans lequel le temps de malaxage est inférieur ou égal à 5 minutes par mètre cube de déblais présents initialement dans le contenant de stockage. 9. Procédé d'assèchement selon les revendications 4 ou 5 à 8 lorsqu'elles dépendent de la 4, dans lequel on extrait, sous un délai (At) inférieur à 48h à partir du début de l'ajout du réactif de traitement, les déblais hors du contenant de stockage. 10. Procédé d'assèchement selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on ajoute aux déblais du sol, du réactif de traitement de manière à ce que la quantité de réactif ajouté soit inférieure ou égale à 30kg pour 1 tonne de déblais.