# Injectabilité des coulis de ciment ultra-fin

Christophe Dano

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Christophe Dano. Injectabilité des coulis de ciment ultra-fin. 38ème colloque du Groupement Français de Rhéologie, Oct 2003, Brest, France. hal-01008346

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# Injectabilité des coulis de ciment ultra-fin

C. Dano

Institut de Recherches en Génie Civil et Mécanique (GéM), Ecole Centrale de Nantes

**Résumé** : Les coulis de ciment ultra-fin, généralement considérés comme des fluides de Bingham, sont formulés de manière à diminuer leur seuil de résistance à l'écoulement et leur viscosité, et aussi accroître leur pouvoir de pénétration dans un sol. Pour différentes concentrations en ciment, on compare les pressions nécessaires à l'injection unidirectionnelle de coulis de ciment ultra-fin dans un sable sec ou préalablement saturé. Les mesures montrent que l'effet de la rhéologie est atténué par un phénomène de filtration des particules de ciment dans le milieu poreux.

**Mots-clés** : Coulis de ciment ultra-fin, Rhéologie, Injectabilité, Adjuvant.

**Abstract:** The composition of microfine cement grouts, usually considered as Bingham suspensions, is defined in such a way to decrease their yield shear stress and their viscosity in order to improve their propagation into a soil. Pressures necessary to inject microfine cement grouts into a dry or initially saturated sand are compared. The grouts are defined by different cement-to-water ratios. The measurements show that a filtration of the cement particles occurs through the granular medium. Therefore, the effect of the rheology is attenuated.

## 1. Les coulis de ciment ultra-fin

### 1.1 Facteurs influençant l'injectabilité

Les coulis de ciment ultra-fin sont couramment utilisés pour imprégner des terrains alluvionnaires de perméabilité comprise entre $10^{-4}$ et $10^{-5}$ m/s. L'injection de tels coulis contribue à améliorer les propriétés mécaniques des terrains traités et permet ainsi la construction d'ouvrages souterrains en limitant les dommages sur les structures voisines.

La propagation d'un coulis de ciment ultra-fin dans un sol dépend de beaucoup de paramètres : les paramètres liés au sol (densité, granulométrie, minéralogie, surface spécifique, degré de saturation), les paramètres liés au coulis (concentration en ciment, nature et finesse du ciment, pourcentage d'adjuvant, durée pratique d'utilisation, ...), les paramètres liés à l'injection (procédure de fabrication, débit d'injection, ...).

Parmi ces paramètres, la granularité du ciment et la rhéologie de la suspension sont reconnues pour affecter plus particulièrement l'injectabilité, c'est-à-dire le pouvoir de pénétration de la suspension dans un milieu poreux [1].

### 1.2 Effet de la granularité

La première barrière à la propagation d'un coulis est d'ordre géométrique. L'écoulement peut être bloqué parce que la dimension des particules de ciment est supérieure à la taille des pores. Les critères

d'injectabilité classiques sont d'ailleurs basés sur ce rapport entre la taille des particules de la suspension et la taille des particules du milieu poreux traversé (taille supposée être corrélée à la dimension des pores). L'injection de milieux de faible perméabilité nécessite alors l'utilisation de ciment ultra-fin.

Cette barrière géométrique suppose également que les particules de ciment doivent rester dispersées dans l'eau : la floculation des particules aurait pour effet de générer des amas de taille importante à l'origine d'effet de voûtes à l'entrée des interstices du sol. On incorpore donc, dans la suspension de ciment, une charge inerte très fine (qui permet aussi de stabiliser le mélange en limitant la sédimentation) et un adjuvant dont le rôle est primordial à la fois sur la défloculation, sur la rhéologie et sur la stabilité du coulis. On utilise en général un superplastifiant. Cependant, les mécanismes d'action de ces adjuvants ne sont, à ce jour, pas encore parfaitement connus : création d'une couche lubrifiante autour des grains de ciment, diminution de la tension superficielle des grains de ciment, création de forces de répulsion ? [2].

### 1.3 Effet de la rhéologie

La seconde barrière à la propagation d'un coulis est d'ordre rhéologique. Les coulis de ciment ultra-fin sont des suspensions généralement considérées comme des fluides de Bingham [2]. Leur rhéologie est caractérisée par le seuil de résistance à l'écoulement $\tau_p$ et la viscosité plastique $\eta_p$ de la loi de Bingham :
$$ \tau = \tau_p + \eta_p \times \left( \frac{\partial \gamma}{\partial t} \right) \qquad (1) $$

où $\tau$ représente la contrainte de cisaillement, $\gamma$ le glissement de deux filets fluides l'un par rapport à l'autre et t le temps. Pour des taux de cisaillement élevés, le comportement rhéologique peut tendre vers un comportement rhéo-épaississant obéissant à la loi d'Ostwald [2].

La rhéologie des coulis de ciment ultra-fin est principalement régie par la quantité d'eau libre dans le mélange. L'eau a en effet un double rôle : elle assure la fluidité du coulis et, d'autre part, elle participe aux réactions d'hydratation du ciment. L'adsorption de l'eau sur les particules de ciment, en quantité d'autant plus importante que le ciment est plus fin et possède une surface spécifique plus élevée, réduit la quantité d'eau libre, ce qui se traduit directement par une perte de fluidité du mélange [2]. Cependant, il doit probablement exister une quantité d'eau au-delà de laquelle son effet sur la rhéologie de la suspension est faible.

Enfin, les propriétés rhéologiques des coulis (seuil de cisaillement, viscosité) sont évolutives dans le temps. On cherche à les maintenir aussi faibles que possible pendant l'injection de façon à ne pas générer de surpressions d'injection. La période pendant laquelle le seuil de résistance à l'écoulement et la viscosité n'évoluent pas ou très peu est appelée durée pratique d'utilisation (DPU). Les réactions d'hydratation et la prise du ciment ont tendance à accroître les propriétés rhéologiques du coulis qui se transforme progressivement en une phase solide à l'origine du renforcement des sols. La prise a lieu une dizaine d'heures après l'injection.

# 2. Etude expérimentale

## 2.1 Préparation des coulis

La préparation des différents coulis utilisés dans cette étude suit une procédure rigoureuse garantissant la répétabilité des propriétés rhéologiques des coulis. La formulation et la procédure de fabrication des coulis font l'objet d'un brevet et ne peuvent donc pas être détaillées ici.

Les coulis sont composés :

- de ciment ultra-fin (le diamètre maximal des particules de ciment est de 12 µm),

- d'eau,

- d'une charge inerte qui se présente sous la forme d'une suspension liquide avec des particules de diamètre inférieur à 1 µm,

- d'un adjuvant de type superplastifiant réducteur d'eau.

Les formulations diffèrent par le rapport massique ciment / eau C/E que l'on fait varier entre 0,172 et 0,437 et aussi par le rapport massique adjuvant / ciment A/C compris entre 1,77 % et 4,1 %. Ces deux quantités influent simultanément sur la rhéologie des coulis.

Le malaxage est effectué à l'aide d'un malaxeur haute vitesse Rayneri Turbotest muni de pâles défloculeuses [3].

## 2.2 Propriétés rhéologiques

Les caractéristiques rhéologiques des coulis préparés sont évaluées en laboratoire au moyen d'essais au viscosimètre coaxial Fann et au viscosimètre Marsh couramment utilisés sur les chantiers d'injection.

Le viscosimètre Fann est un viscosimètre rotatif à régime permanent à deux cylindres coaxiaux [4]. Ce viscosimètre fonctionne en gradient de vitesse imposée (le rotor tourne à une vitesse angulaire constante tandis que le stator reste immobile). Les lectures pour deux vitesses de rotation (300 trs/min et 600 trs/min), correspondant à des taux de cisaillement $d\gamma/dt$ respectifs de 510 s⁻¹ et 1020 s⁻¹, permettent de déterminer la viscosité plastique $\eta_p$ (en mPa.s) et le seuil de cisaillement $\tau_p$ (en Pa) [2,4] de la loi de Bingham.

Le viscosimètre Marsh consiste à mesurer le temps d'écoulement d'un volume connu de fluide au travers d'un ajutage normalisé [4]. La viscosité Marsh, notée $\eta_m$, de l'eau est de 27 secondes.

Les résultats sont reportés dans le tableau 1. Le terme $\rho_c$ désigne la densité du coulis. Les valeurs indiquées dans le tableau 1 correspondent aux propriétés des coulis à la fin de la procédure de fabrication, soit environ 4 minutes après l'introduction du ciment dans la suspension.

La durée pratique d'utilisation (DPU) du coulis de rapport C/E égal à 0,172 est supérieure à 60 minutes tandis que la DPU du coulis le plus fortement dosé (C/E = 0,437) est de l'ordre de 20 minutes. Les essais d'injection présentés ci-dessous durent en général 20 minutes au cours desquelles le coulis reste continuellement soumis à un malaxage intense. On suppose donc que les propriétés rhéologiques restent constantes pendant la durée de l'injection.

<table><caption>Tableau 1. Propriétés rhéologiques des coulis utilisés.</caption><thead><tr><th>C/E</th><th>A/C</th><th>ρ<sub>c</sub></th><th>η<sub>p</sub></th><th>τ<sub>p</sub></th><th>η<sub>m</sub></th></tr></thead><tbody><tr><td></td><td>%</td><td>g/cm<sup>3</sup></td><td>(mPa.s)</td><td>(Pa)</td><td>(s)</td></tr></tbody></table>
<table><thead><tr><th>0</th><th>0</th><th>1,00</th><th>-</th><th>-</th><th>27</th></tr></thead><tbody><tr><td>0,172</td><td>4,10</td><td>1,17</td><td>2,5</td><td>1</td><td>29</td></tr><tr><td>0,235</td><td>3,10</td><td>1,19</td><td>2,5</td><td>1</td><td>29,2</td></tr><tr><td>0,299</td><td>2,48</td><td>1,23</td><td>3,0</td><td>1</td><td>29,5</td></tr><tr><td>0,366</td><td>2,07</td><td>1,25</td><td>-</td><td>-</td><td>29,7</td></tr><tr><td>0,437</td><td>1,77</td><td>1,27</td><td>3,5</td><td>1</td><td>29,8</td></tr></tbody></table>

C/E : rapport massique ciment/eau ; A/C : rapport massique adjuvant/ciment ; ρc : densité du coulis ; ηp : viscosité plastique du coulis ; τp : contrainte de cisaillement seuil ; ηm : viscosité Marsh.

## 3. Injection en laboratoire

### 3.1 Le dispositif expérimental

Le dispositif d'imprégnation des sols (Fig. 1) s'inspire des systèmes d'injection décrits dans la littérature [3,5,6,7]. Il se compose d'un tube cylindrique en Plexiglas, transparent et rigide, de 900 mm de hauteur et 100 mm de diamètre intérieur.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1. Dispositif d'injection.</figcaption></figure>

Le sable utilisé est le sable de Fontainebleau NE34, fin et siliceux : le diamètre moyen des grains est de 210 µm et la granulométrie est uniforme. Le sable est mis en place dans le tube par couches de dix

centimètres. Chaque couche est compactée par trente coups de marteau portés sur l'enveloppe en Plexiglas. Cette méthode, parfaitement reproductible, conduit à un état de densité élevé : le poids volumique sec du sable de Fontainebleau est d'environ 16,5 kN/m³. Cependant, si l'homogénéité de la colonne est globalement correcte, on note une ségrégation des particules les plus grosses sur la partie supérieure de chacune des couches (Fig. 2) [3]. Aucune saturation préalable en eau n'est effectuée, sauf indication contraire.

Le coulis est injecté de bas en haut avec un débit constant de 6 cm³/s au moyen d'une pompe à piston. La pression est mesurée à la sortie de la pompe.

Il est à noter que l'objectif des essais d'injection en laboratoire était de reconstituer des échantillons de sable injecté homogène sur toute la hauteur des tubes. Cet objectif est d'autant plus facilement atteint que le coulis est faiblement chargé en ciment. Le suivi de la position du front d'injection dans le tube, l'enregistrement de la pression en sortie de pompe et de la masse de coulis injecté permettent de contrôler qualitativement l'homogénéité de l'injection. Cette homogénéité est également estimée à posteriori par la réalisation d'un profil de densité au gammadensimètre (Fig. 2). Les irrégularités sur le profil sont dues au mode de mise en place du sable par couches. Le poids volumique moyen après injection est de 20,4 kN/m³. Les variations par rapport à cette valeur moyenne sont faibles, entre ± 2%.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 2. Profil de densité au gammadensimètre.</figcaption></figure>

### 3.2 Effet des rapports C/E et A/C sur les pressions d'injection

Les essais d'injection montrent que, pour des rapports C/E supérieurs à 0,3 (auxquels il convient d'associer des rapports A/C inférieurs à 2,5 % environ), les pressions d'injection sont relativement proches (Fig. 3). Cette observation amène à se poser des questions quant à l'effet de la rhéologie : les
propriétés rhéologiques des coulis augmentent en
effet en proportion de la quantité de ciment présent
dans la suspension.

Il se produit en effet un phénomène de filtration des particules de ciment du coulis, piégées aux points de contact entre les granulats [8]. Ce piégeage peut être apprécié par la différence de densité du coulis à l'entrée de la colonne d'injection et à la sortie de la colonne. Ainsi, le coulis dosé à C/E = 0,172 de densité initiale égale à 1,17 ressort de la colonne de sable de Fontainebleau avec une densité comprise entre 1,10 et 1,13. Dans un sable plus grossier et plus poreux, le coulis en sortie présente une densité comprise entre 1,15 et 1,16.

Ce phénomène peut également être mis en évidence en comparant les pressions nécessaires pour faire progresser le coulis dans un milieu sec et un milieu préalablement saturé en eau (Fig. 4). L’eau déjà présente dilue localement le coulis (miscible à l’eau) et facilite le transport des particules de ciment. Après saturation en coulis (évolution au-delà de 500 s non représentée sur les figures 3 et 4), la pression continue de croître contrairement à une injection à l’eau où la pression se stabilise. Cette augmentation de la pression correspond au dépôt progressif du ciment et à la diminution de la perméabilité du milieu poreux.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 3. Effet du rapport C/E sur la pression d'injection.</figcaption></figure>

4. Conclusions

L'injectabilité d'un coulis de ciment ultra-fin, bien que conditionnée par la rhéologie des coulis, est principalement contrôlée par le milieu poreux (densité, forme et dimension des espaces interstitiels, ...). Cet effet moins marqué de la rhéologie tient en partie aux formulations employées qui aboutissent à réduire de manière importante le seuil de résistance à

l'écoulement et la viscosité, pour des rapports C./E habituels en matière d'injection.

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 4. Effet d'une saturation préalable en eau.</figcaption></figure>

[1] Miltiadou, A.E. *Etude des coulis hydrauliques pour la réparation et le renforcement des structures et des monuments historiques en maçonnerie.* (Etudes et Recherches des L.P.C., Série Ouvrages d'Art, OA8, 1991).

[2] Benhamou, O. *Comportement rhéologique des coulis de liants hydrauliques ultra-fins destinés à l'injection*. Thèse de doctorat, Centre de Géologie de l'Ingénieur, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris (1994).

[3] Dano, C. *Comportement mécanique des sols injectés*. Thèse de doctorat, Ecole Centrale de Nantes & Université de Nantes (2001).

[4] *Manuel de rhéologie des fluides de forage et laitiers de ciment*. (Publication de la chambre syndicale de la recherche et de la production du pétrole et du gaz naturel, éditions Technip, 1979).

[5] Zebovitz, S., Krizek, R.J. & Atmatzidis, D.K. Injection of fine sands with very fine cement grout. *J. Geotechnical Eng.*, 115(12), 1717-1733 (1989).

[6] Azzar, G. *Modélisation des injections de coulis de bentonite-ciment dans les sols*. Thèse de doctorat, Ecole Nationale Supérieure des Arts et Métiers, Bordeaux (1997).

[7] Tailliez, S. *Etude expérimentale du comportement mécanique des sols granulaires injectés*. Thèse de doctorat, Ecole Centrale de Paris (1998).

[8] Arenzana, L., Krizek, R.J. & Pepper, S.F. Injection of dilute microfine cement suspensions into fine sands. Proc. 12th Int. Conf. on Soil Mechanics and Foundation Engineering, 2, 1331-1334 (1989).