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5~9
La presente invention conce~ne des perfectionnements
aux procedes actuellement utilises pour sceller, dans un terrain
a consolider, tel que la paroi ou le toit dlune galerie de mine,
d'un tunnel ou de tout ouvrage equivalent de travaux publics, un
elemcnt metall.i.que ou non, par exeml).lc! en resine dc polyester
armee de ~ibres de verre, dlune longueur de l~ordre de 180 ~
200 cm au moyen d'une compositi.on dc resine synthetlque compre-
nant, d'une part, outre la resine elle-meme, des charges ~ibreu-
ses ~t/ou pulverulentes et, d~autre part, les additi~s chimiques
provoquant la prise et le durcisse~ent de cette composition au
moment o~ le dit element de renforcement est introduit dans un
forage pratique a cet effet dans'le dit terrain.
Les procedés de ce type sont connus depuis une di- :
zaine d~annees, et les modalites les plus recentes de leur ap~
plication impliquent par exempi.e un chauffage préalable de la
tige metallique, avant son introduction dans le ~orage prealable-
ment rempli de la composition resineuse non durcie. ~:
De tels procedes sont decrits notamment dans les bre- ':
vets français de la demanderesse'n~ 2,218,375, publié le 13 sep-
tembre 1974 et n~ 2,345,500, publié le 21 octobre 1977.
Dans le premier de ces brevets, il est decrit un pro-
cede dans lequel la composition resineuse introduite dans le ~o- :
rage est constituee d'une resine de polyester/ d'un durcisseur
stable à temperature ambiante et'dlun stabilisant, le tout condi~
tionne dans une enveloppe en ~euille souple rigidi~iee par un fi-
let de mati8re plastique ~riable, tandi.s que l~element metallique
est porte, avant son introduction dans le ~orage~ à une tempera- : '
ture de l'ordre de 200~C, cette.introduction provoquant simulta-
nement la rupture de l'enveloppe rigide, le melangeage des ele-
'ments de la composition et le durcissement de celle-ci autour de
l'element metallique.
Dans le second de ces brevets, la composition resi-
~ 75~9
neuse peut 8tre egalement injectee en ~ ac!~ dans le ~orage,
tandis qu~il est précisé que la tige métallique peut 8tre échauf-
.. . . . _ _
fée super-
~fi,~S~9~
ficiellement par passage dan~ un ~our électrique à induction, ce
qui permet alor# d'éviter toute rotation de la tige à sceller, la-
~uelle peut même être po~ée à la main, dans le ca de sections
géométriques, non cylindriques.
Au contraire, de ces procédes, la pré~ente invention permet
une méc~nisation complète de la pose des tiges, tout en évitant
toute in~tallation de chauffage préalable des tiges.
En effet, il est notoire qu'à l'heur~ actuelle, on utili~e
pour l'introduction de~ ti$es dans le~ trous de boulonnage le mame
mat~riel que pour le ~orage même de ces trous, c'est-à-dire des
têtes d'entra;nement en rotation, soit des tiges de forage, ~oit de~
boulon~ de soutènement, dont la vite~se est de l'ordre de quelques
centaines de tours/minutes. Il en résulte que l'énergie thermique
su~ceptible de prendre nais~ance par le frottement de la tige au
co~tact des charges de la composition d0 résine au moment de
l'introduction de cette tige, déjà préalablement échau~ée à la
temperature de durcissement de la composition, est si faible qu'elle
n'in*rvient pas dans ce phenomène ~ n'a dlonc aucunement été mise à
pro~it dans la ~ormulation de ce type de composition.
ao Au surplu~, ce type de composition po~sède des propriété~ ;
thixotropiques et~ par suite de l'action de l'agitation provoquée
par l'introduction de la tige, sa viscosité diminue et, par consé-
quffnt, à fortiori, l'énergie de ~rottement tran~mi~e à la tige
diminue égalementO
Il apparais~ait donc ~usqu'à present exclu de mettre à
pro~it~ et même de prendre en consldération, un phenomene thermique
quelconque lié à cette énergie pour participer au déclenchement d~
durci~sement de la résine, ce qui ~emblait donc imposer ce chauffage
de la tig0 préalableme~t à so~ i~troduction dan~ le trou de mine~
Or, de~ expériences pratiquees ~lr un matériel pilote en
l'absence d'un matériel industriel commerci~ é suscep~ible de
créer la phé~omène, ont permis de con~tater que, 9i l~onintroduit
- 2 -
5~
dan~ des compositions résineuses contenant certaines proportions
de charges abrasives stables et de catalyseur, et con~inées dans
des -trous de mines, des tige~s métalliques non échauffées au
préalable, m~is portées à des vitesses de rotation sensiblement
supérieures aux vite~ses usuelles précitées, dans un intervalle lié
aux propriétés de pri~e par polymérisation de ces compositions comme
il sera précisé ci-après, et cela malgré le phénomène de thixo-
tropie précité, l'énergie thermique résultant du frottement de la
tige sur les dite~ charges provoque 1'échauffement de la tige à un
point tel que la réaction de durcissement catalytique est amorcée,
et que ]aprise de la composition, assurant le scellement de la tige,
intervient dans les mêmes délais que par introduction de la tige
prechauffée.
La présente invention vi~e d~nc, an premier lieu, un
procédé nouveau pour la pose des tige~ de scelleme~t, du type défi--
ni plus haut, consistant à introduire dans un forage une composi-
tion ré~ineuqe thermodurcissable, puis une tige métallique destinée
à 8tre ~cellée dan~ ce trou par durcissement thermique de cette
composition, la caractéristique de ce procéde ré~idant d~ns le
fait que la dite tige est introduite dans le forage avec une vitesse
de rotation provoquant au conta~t des charges de la comp~sition
.
ré~ineuse, son échauffement ~usqu'à la température de durcis}ement
de la dite composition.
Bien entendu, le choix de la nature et des proportions
des char$es, ainsi que du catalyseur, seront à apprécier e~ fonc- -
tion de la vitesse de rotation de la tige et des dimensions rela-
'~ tives de la tige et du forage. Cependant, il a été constaté que les
ePfets abra~ifs du sable d~ quartz ve~aient avantageusement complé-
ter ceux des charges usuelles telles que notamment la craie, uti-
~3Q li~ées dan~ les proportions usuelles, c'est-à-dire de l'ordre de
50 ~0 de la c~mposition.
En ~ait, l'analyse experimentale du phénomène à laquelle
;
r 7 5 j ~9
la demanderesse a procédé a conduit cette dernière à constater que
troi~ facteurs variables doivent être pri~ e~sentiellement en
considération dans ce phénomène, à ~avoir :
1) la fluidité de la composition
2) la durée de rotation de la tige
3) la vite~se de rotation de la tige
Le premier facteur fait lui-même intervenir deux éléments
à savoir :
a) la nature de la composition
b) le vieillissement de la composition
Ainsi, en ce qui concerne a), la composition pourra être
du type classique à deux phases (résine + accélérateur pour l'une
et catalyseur ~ charge pour l'autre),ou à une seule phase (tous
les composants étant ré~is) avec des charges variable~ en nature
et en proportion~, la charge à phase unique étant plus avantageuse
car plu~ économique et plus commode à manipuler.
En ce qui concerne b), on sait également qu'avec le
temps la ~luidité d'une telle composition ~minue.
En tout état de cause, a) et b) étant determinés et/ou
'20 contrôlé~, le paramètre 1) ci~dessu~ peut être considéré comme
fixé, pour l'appréciation de~ conditions de mise en oeu~re pra-
tique de l'invention. Il en résulte que, pour toute composition
donnée, on peut établir, entre le tempq de polymérisation, c'est-
à-dire le temps de prise de la résine et de blocage du boulon ~,
exprimé en seconde~, et la vitesse de rotation x du boulon, ex-
primé en tours par minutes, une relation du type
y = Ax ~ B (1)
qui ~e vérifie moyennant une coe~ficient approximati~ d'erreur.
' A~i par exemple, on a procedé à des essais de blocage
,30 d'une ti~e de 18 mm de diamètre et 1,80 m de longueur, enfoncée
dans un trou dè 22 mm de di~amètre, et 1,70 m de longueur au moyen
d'une charge ayant la constit~tion suivAnte :
4 - ;
A. - Matrice (composition de la resine) =
UKAPON*T - 120 S .1~,29% de la composition
TRIGONOX*22 s 50 (peroxyde de
ditertiobutyl~ cyciohexane) 2~ de la résine
BISOXOL*(2,6-ditertiobutyl~p-
crésol) 0,1 ~ de la résine
AEROSIL*200 (silice collo~dale
de surface spécifique : 100 m2/~ 2 % de la résine ~ -
B. - Composition d'ensemble -
Matrice A 18
Craie GY 100- 65,6
Sable de quartz 16-14-2 . 16,4
; a des vitesses de rotation croissantes entre 800 et 2400 tours~
minute environ. :::.
Les resultats de ces essais ont été les suivants :
Vitesse de~rotation (t/mn) Temps de bloca~e (sec.)
_
' 800 53,7
1 209 48,5
1 618 ' 39,5
202 021 42
~! 2 413 35
L'expression de l'équation (1) dans le cas de cette composition
est alors: y = -0,01 x + 61,08 (2)
avec un coefficient de correlation de -0,94, c'est-~-dire une
précision d'environ 94%. Ainsi le résultat de l'application de
la formule (2) aux vitesses comparables a celles des essais prê~
cites donne les resultats theoriques:
Vitesse de rotation (t/mn) Duree ~sec.)
800 52,5
-
1 600
.~ ' '.'
* marque de co~nerce ~ .
5 . :.
.~ ' ';";,;''''.
. - . . . :,
. - : . . .. . . .
~7~
Des vitesses de rotation encore inferieure ~ 800 t~mn, pouvant
descendre jusqu~ 500 t~'mn, peu~ent 8tre envisagees, ~ui en-
tra~neraient evidemment des temps. de prise sensiblement plus
longs, mais pouvant se reveler utiles, dans le cas de la mise
en place delicate de pieces de grandes dimensions, par exemple
Elles pourraient egalement être appliquees avec des compositions
de resines a vitesse de polymerisation tres elevee.
En tout état de cause, l~utilisateur pourra moduler
le temps de prise de ses scellements en fonction des differents
parametres de pose, en fonction du vieillissement des charges de
scellement et en fonction de la proportion et de la nature des
charges minerales.
Dans la pratique, les proportions les plus avantageu-
~ ses de ces charges, par rapport au poids total de la compositionse situeront dans les intervalles suivants:
craie 40 ~ 70
sable de quartz 10 ~ 40%
Au titres d'exemples, on decrira ci-apras trois ~or-
mules adaptees a la mise en oeuv.re du procede selon l'invention;
ces formules comportent chacune une certaine proportion d~une
composition de resine telle que definie ci-apr8s,~et qui sera
designée par la suite par ~ MATRICEIl .
Resine de polyester insaturee 100 parties en poids
Silice collo;dale 1,5 parties ~n poids
Catalyseur : perbenzoate de tertio-
butyle l partie en poids
Inhibiteur : 2,6-ditertiobutyl-
paracrésol 0,1 partie en poids : :
Comme résine de polyester non saturee, on peut uti~
~ 30 liser ~ titre équivalent les produits vendus en FRANCE sous les
.~ marques commerciales UKAPON*77 064 ou UKAPON*T 120 Sl~(Ugine-Kuhl- :~
mann), NORSODYNE*90~,905 ou 907 (CDF-Chimie). : ::.
* marque de commerce
-- 6
,. : , . , ., : . . .: : . :
:: . ... ~: .:, . . . :
- . . ::
.
5~
Com~e catal~seu~ Pn Peut utilise~ des quantités
équivalentes de péroxyde de ditertiobutyl-l,l-c~clohexane ou
de peroctoate de tertiobutyle, ou de tout autre catal~seur
améliorant la stabilité de la composition ~is-a-vis des i~pure-
tés naturelles des charges minérales~
En re~anche, llinhibiteur précité est préférable,
notamment ~ ceux du type hydroquinone, eu égard aux essais de
vieillissement pratiqués sur la composition. La dose de 1 000
ppm indiquée peut d~ailleurs ~tre abaissée jusqu~à 500 ppm compte
tenu de la réactivité de la résine.
~; Les trois formules ci-apr8s ont été soumises ~ des
essais de mise en place d'un boulon de diametre de 18 mm sur une
longueur de 1 metre dans un tube métallique simulant un ~orage
de 22 mm de diamètre, et les résultats sont les suivants:
Formule n~ 1
-- ~ ~.. .... . .
MATRICE 65 parties en poids (20,31 %)
Craie 6 Y(OMYA*) 153 parties en poids ~47,81 %)
Sable de quartz réf.
16.14.2~SIKA*) 102 parties en poids (31,88 %)
- Viscosité à 20~C : 870 poises
- Tige introduite pendant 90 secondes au total, a 1 600 t/mn
pendant la rotation
; - Viscosité au bout de 5 à 20 secondes : 380 poises
- Temps de prise : 30 secondes
Formule n~ 2
MATRICE 60 parties en poids ~19,05 %)
Craie 6 Y 100 153 parties en poids (48,57 ~)
Sable de quartz 16.14.2 102 parties en poids (32~38 %)
- Viscosité a 2D~C : 1000 poises
- Tige introduite pendant 60 secondes à 1 600 t/mn pendant la
rotation ~ -
- Temps de prise : 30 secondes r
* marque de commerce
' , ' ' ~ ,: -
~753!g
MATRICE 55 parties en poids (17,74 %)
Craie 6 Y 100 153 parties en poids (49,35 %)
Sable de quartz 102 parties en poids (32,90 O/D)
- Viscosité a 20~C : 1 300 poises
- Tige introduite pendant 55 secondes au total à 1 600 tJmn pen-
dan* la rotation
- Viscosité au bout de 5 - 20 secondes : 475 poises
; - Temps de prise à l'is~ue de la période de rotation
Notes :
~o 1) la craie 'tqualité 6 Y 100 (OMYA)'Irépond aux spécifications
suivantes :
' - particules inférieures à 150 microns 100 ~~0
- particules inférieures à 50 Microns 50 %
- particules inférieures a 5 microns 30 %
2) le sable de quartz "réf.16.14.2 ~SIKA)" répond aux spécifica*ions
~uivantes :
- particules inférieures à 2 500 microns 100 %
- particules inférieures à 1 250 microns 62 %
- particules in~érieures à 500 microns ~,5 %
3) le sable de quartz exacerbe l'effet thermique et le mélange
craie ~ sable e~t calculé de façon à ce qulon soit le plus près
possible de la courbe optimale de rsmplissage ce qui permet d'in-
troduire au sein de la "M~TRICE" des taux de charges minerales
plus i~portants ~ ut en benéficiant d'une vis~cosit~ relativement ~-
basse, ce qui facilite l'injection du produit.
4~ Si au lie~d'inj~ecter directement le produit, on le conditionne
en gainas plas-tique~, il peut atre avantageux d'introduire dans
,
la ~ormule des agents épaississants (chaux, ma~nésie, chlorure
stanneu~ etc...) qui ralèvent la viscosite du produit jusqu'à une
valeur se~siblement constante~
5) la duréa des étapes 3 et ~ du procédé (voir ci-apres) sera
d'autant plus courte que la vi-tesse de rotation sera ~évée.
-- 8 --
6) au lieu de char~es uni~uement mir~érales, il est possible
d'introduire dans les formules des matériau~ tels que des fibres
de bois ou d'amiante, au~entant l'auto~échauffement sans affec~
ter les proprietes reologiques de la composition.
Enfin, la mise en pratique de l'invention peut
bien entendu faire usage de compositions resineuses presentees
en charges préconditionnées, telles que decrites au brevet fran~
çais No.2,218,375 précite. Toute~oisr il est encore beaucoup
: plus simple d'opérer en utilisan* l'injection de compositions
" en vrac" , telles que décrites au brevet français n~2,345,500,
Dans ce cas, le procédé selon un mode de réalisation de l'inven-
tion, peut être mis en oeuvre selon un processus tenant compte
des impératifs géométriques et mécaniques liés a la nature de
l'opération: en effet, il convient de considerer qu'il s'agit
de sceller, axialement dans un forage de 2 metres de profondeur
environ, sur un diamatre d'environ 20~25 mm, une tige de même
longueur, d'un diametre inférieur de 4 mm environ, et cela au
moyen d'une charge de résine injectée au préalable et qui, en
fin d'opération, doit remplir exactement la totalité de l'espace
restant libre du forage.
A cet effet, pour parvenir ~ ce résultat de fason
pratiquement idéale, le procéde selon liinvention comporte en
faik quatre étapes:
Premiere étape
Dans le forage, on injecte en vrac un volume de la composition
resineuse remplissant environ 35 a 45~ du fond de la longueur du
forage.
Seconde étape '
.:
. .
Dans le forage ainsi partiellement rempli, on introduit, la tige -
à ancrer dans le terrain, de maniere que 50% de sa longueur soit
" mouillée" par la composition.
Troisieme étape
'';
_ g~
. ' ,.
- : . . . ~ , ... . . .
7~
On fait alors subir a la tige une rotation ~ur elle-même à une
vites~e comprise, de préférence entre oOO et 2400 t/mn et sur une
période de 15 à 60 secondes, ce qui provoque à la ~ois son échauf-
; fement, une centrifugation de la résine sur les parois du forage
et l'amorce de sa polymérisation.
Quatrième étape
Sur les 5 à 30 secondes suivantes, on achè~e l'en~oncement de la
tige ~usqu'au fond du ~orage sans interrompre la rotation, de
manière telle que, quand la tige sera complètement en~oncée, la
~10 ré~ine refoulée 3ur sa periphérie atteindra l'embouchure du ~rage ;la rotation est poursui~ie jusqu'à ce que la résine ait achevé sa
po]ymérisation en assurant 1~ancrage définitif de la tige.
Ce procédé présente deux variantes, selor~ qu'à la seconde étape
on procède a l'introduction de la tige en imprimant déjà à celle-ci
une certaine rotation, ou sans aucune rotation.
La première variRnte présente 1'intérêt de déterminer une
répartition plus homogène de la compo~ition autour de la tige, ce
qui est avantageux quand les con~tituan1ts de la composition sont
':
introduits dans le trou à l'état séparé ; elle peut avoir lllncon-
;2~ vénient d~amorcer la polyméri~ation un peu trop tôt quand la vite~-
se de polymérisation ~e l~ésine est élevée, ce qui risque de gêner
l~en~oncement ultérieur de la tige~ -
La seconde variante prése~te évidmment les avant~ges et
les inconvé~ients inverses.
Le cholx de la ~ariante est donc déterminé par les
conditions d'utilisation ~ procéde, spécifi~ues à chaque cas
pratique. Ainsi, compte tenu du ~ait que l~uti3isateur peut, ainsi,
à pre~ent, moduler les vitesses de rotation de ses nouveaux engins
de pose pour utiliser les charges de scellement, il peut désormais
3o utiliser, de la mame ~açon, les charges de scellement classiques à
deu~ phases (l'accélérateur etant ajouté à la résine et le cata-
lyseur étant contenu dans le batonnet). Ainsi, à partir d'un type
-- 10 --
5~
de charge de scellement détermine du point de vue réactivité
chimique, il peut ~aire varier le temps de prise du mastic
, . . .
simplement en agissant sur la vitesse de rotation.
Bien entendu, l'invention qui vient d'être décrite avec
ré~érence à quelques exemples particuliers, est susceptible de
nombreuses variantes , rentrant dans le cadre des revendications
ci-apr:e.
'~'' ' '
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