Par Britt N. Babcock, PE
Les coulis de ciment et de produits chimiques sont efficaces dans une gamme de conditions de sol
Les coulis de ciment et de produits chimiques sont efficaces dans une gamme de conditions de sol .
Utilisés sur une myriade de projets de construction neufs et de réhabilitation, les coulis cimentaires et chimiques partagent une catégorie et un nom communs, mais les différences distinctes l’emportent de loin sur les qualités communes. Les deux types de coulis sont utilisés dans des applications civiles allant de la réhabilitation de tuyaux d’égout à la construction de nouveaux tunnels ou de puits, utilisés pour combler des cavités / fissures étroites, des fissures rocheuses ou pour imprégner les sols pour le contrôle des eaux souterraines, le remplissage des vides ou pour augmenter le support structurel de la géologie. Bien que les coulis de ciment et les coulis chimiques puissent différer dans leur composition, leur application et leur coût, ils sont finalement des produits complémentaires sur les mêmes projets. Cet article explorera quand et pourquoi utiliser les différents types de coulis et la gamme de coûts de chaque produit.
La pratique de l’injection de coulis et la large gamme de produits de coulis disponibles peuvent compliquer le choix du bon coulis pour le projet. Parce qu’il est difficile de résumer la complexité du sujet en un seul article, certains sujets spécifiques de cet article ont été généralisés pour plus de simplicité. Si une situation existe sur votre projet où une injection de coulis est requise, un entrepreneur en coulis qualifié et un consultant en coulis expérimenté devraient être engagés pour fournir des recommandations de coulis et d’installation et un fournisseur de coulis compétent, comme Avanti International, devrait être consulté pour vous aider à choisir correctement le coulis.
Les coulis et gels peuvent être utilisés pour créer une barrière à l’eau efficace et durable, ainsi qu’un stabilisant du sol.
Famille et sous-types de coulis
Les coulis utilisés dans les projets de construction civile et de réhabilitation peuvent généralement être classés en ciment ou en coulis chimique. Au sein de chaque famille de coulis, il existe des sous-types de coulis primaires: au sein de la famille de coulis de ciment, le ciment Portland ordinaire et les ciments ultrafins définissent ces sous-types. La famille des coulis chimiques comprend le silicate de sodium, les gels acryliques et les mousses expansives en polyuréthane. Bien que chaque type de coulis parent ait des fractions de coulis primaires, c’est là que se terminent les points communs et que les types de coulis individuels se divisent en leurs propres caractéristiques uniques.
Les coulis de ciment sont considérés comme des coulis de solides en suspension, car ils contiennent des particules qui composent leur composition issue du broyage du clinker de ciment Portland. Le niveau d’effort de broyage appliqué au clinker détermine la taille moyenne des particules. Le coulis de ciment Portland a généralement des tailles de particules en moyenne de 15 microns. Les ciments microfins vont de 6 à 10 microns tandis que les ciments ultrafins peuvent avoir des tailles de particules moyennes de 3 à 5 microns. Le coulis américain à Malad, en Idaho, peut fournir des coulis cimentaires mélangés personnalisés répondant aux exigences spécifiques du projet.
La capacité d’un coulis à pénétrer dans une fissure rocheuse dépend en grande partie de la taille des particules, tandis que sa capacité à pénétrer dans un sol dépend également de la tension superficielle à l’intérieur du coulis. La rhéologie d’un ciment, qui est la capacité du coulis à s’écouler, est réalisée grâce au contrôle du rapport eau / ciment et presque toujours un superplastifiant est ajouté pour réduire la viscosité. Alors que des additifs peuvent être ajoutés pour ralentir le temps de durcissement, une fois mélangés à de l’eau, les coulis de ciment commencent à durcir et créent une résistance à la compression élevée. Une fois injectés, les ciments sont considérés comme des solutions à long terme pour le contrôle de l’eau ou l’amélioration structurelle ayant des durées de vie variant entre 100 et 200 ans. Les coûts du ciment Portland ordinaire (mixte) se situeront généralement entre 1 et 2 dollars le gallon mélangé, tandis que les coûts des ciments microfins / ultrafins (mixtes) se situeront généralement entre 3 et 4 dollars le gallon mélangé. Ces coûts peuvent encore diminuer lorsque des rapports eau / ciment plus élevés sont utilisés.
Les principaux types de coulis chimiques (silicates, acryliques et polyuréthanes) ont chacun une composition unique. Bien qu’il s’agisse vraiment d’un coulis de solides en suspension, car les particules sont si petites que les silicates de sodium ont un degré élevé de pénétrabilité dans les sols et les roches, très similaire aux vrais coulis de solution, qui n’ont pas de solides en suspension.
Le silicate de sodium est un coulis à deux composants qui a généralement une très faible viscosité mais qui élimine souvent l’eau après gélification par un processus appelé synérèse. Les silicates de sodium peuvent être sensibles, à la limite de l’instabilité, lorsqu’ils sont injectés dans n’importe quelle condition d’eau souterraine. Avec des durées de gel relativement courtes, de quelques minutes à quelques heures, les silicates de sodium sont couramment utilisés comme solution temporaire pour le contrôle de l’eau ou le support structurel avec une durée de vie estimée à quelques années. Des durées de vie plus longues peuvent être expérimentées avec les silicates en fonction de la chimie des sols. Les silicates de sodium varient généralement entre 2 et 3 dollars par gallon mélangé.
Le coulis de silice colloïdale a été développé pour réduire le problème de synérèse avec les silicates de sodium, pour mieux contrôler les temps de gel et obtenir une viscosité plus faible. Le coulis de silice colloïdale est préparé dans un processus en plusieurs étapes où une solution de silicate est partiellement neutralisée, conduisant à la formation de noyaux de silice. La silice colloïdale a la même durée de vie prévue que le silicate de sodium, mais en raison du processus de développement en plusieurs étapes, les prix sont considérablement plus élevés, allant de 13 à 15 dollars par gallon mélangé.
Les acryliques sont définis comme des « vrais coulis en solution », qui sont exempts de solides en suspension et ont une viscosité extrêmement faible – similaire à celle de l’eau. La famille des acryliques se compose d’acrylamide et d’acrylates. Chaque type nécessite qu’une résine de base soit mélangée à un catalyseur afin de créer une matrice de gel dans un sol ou une roche avec un temps de gel contrôlable. L’acrylamide passe d’un liquide à un solide dans un temps de gel contrôlable allant de 3 secondes à 10 heures. Les temps de gel d’acrylate vont d’environ une minute à une heure. La durée de vie d’un acrylamide est estimée à plus de 300 ans tandis qu’un acrylate est estimé à environ 50 ans. Le coût du gel d’acrylamide variera généralement entre 6 et 8 dollars par gallon mélangé tandis que les acrylates sont légèrement plus chers, variant entre 8 et 10 dollars par gallon.
Il existe deux principaux types de coulis de polyuréthane définis comme hydrophiles et hydrophobes. Les coulis hydrophiles sont généralement des systèmes à composant unique qui réagissent avec l’eau et durcissent en une mousse flexible expansive ou un gel non expansif nécessitant un environnement humide après durcissement. Les mousses expansives hydrophobes nécessitent peu d’eau pour réagir, environ 4%, et résistent facilement aux cycles humide / sec. De véritables mousses hydrophobes, ne nécessitant pas de réaction de l’eau, sont également disponibles. Les mousses hydrophiles augmentent de 4 à 6 fois leur volume d’origine, tandis que les mousses hydrophobes augmentent jusqu’à 20 fois leur volume d’origine et peuvent durcir de manière flexible ou rigide. La plupart des fabricants portent des résines de polyuréthane ayant des certifications NSF ou UL approuvant l’utilisation dans des applications d’eau potable. La durée de vie de la mousse de polyuréthane est estimée à environ 75 ans. Le coût des résines de polyuréthane (avant expansion) variera généralement entre 60 et 80 dollars le gallon, non durcies. Il convient de noter que le coût des mousses de polyuréthane diminue considérablement lorsque l’on tient compte de la composante expansive du matériau dans les coûts globaux.
Applications – Quand & Pourquoi
Le ciment et les coulis chimiques sont utilisés dans une grande variété de projets de construction allant de la nouvelle construction à la réhabilitation. Par exemple, les coulis de ciment Portland et ultrafins sont principalement utilisés pour stabiliser le sol et / ou contrôler l’eau dans les projets civils, y compris les barrages en terre, les digues, les mines, les tunnels, les métros, les puits verticaux, les structures souterraines ou l’encapsulation des déchets. Ces types de projets à grande échelle nécessiteront souvent des volumes importants de coulis à injecter. Les coulis chimiques compléteront souvent les coulis de type ciment et, dans certains cas, seront le coulis prédominant utilisé pour une situation particulière.
Sur de nombreux projets civils où un jointoiement est prévu, l’ingénieur au dossier ou le consultant en jointoiement aura préparé un programme de jointoiement définissant le type de coulis prévu. Dans certains cas, cependant, le besoin de contrôle de l’eau ou de stabilisation du sol n’est pas prévu et un programme de jointoiement est élaboré rapidement. Le type de matériau de coulis utilisé pour l’injection pour un besoin immédiat passe généralement par un processus d’essais et d’erreurs. En raison de l’avantage économique, le coulis de ciment Portland sera souvent la première tentative. Si les conditions géologiques n’acceptent pas le coulis de ciment Portland, un coulis de ciment ultrafin sera utilisé. Si les ciments Portland ou ultrafins réussissent, une résine acrylique comme l’acrylamide ne sera souvent pas utilisée.
Les coulis sont également largement utilisés dans la réhabilitation d’infrastructures d’égouts sanitaires en détérioration, de barrages en béton ou de structures en dessous du niveau du sol. Généralement, pour ces types de projets, des gels acryliques et des mousses de polyuréthane sont utilisés. Les deux sont utilisés pour sceller les fissures et les joints qui fuient. Cependant, le gel d’acrylamide est principalement utilisé dans le système de canalisation, tandis que les mousses de polyuréthane sont utilisées dans et autour des trous d’homme et des voûtes. Là où des vides se sont produits derrière des structures en dessous du niveau, les mousses hydrophobes de polyuréthane très expansives sont couramment utilisées pour combler le vide. Une mousse de polyuréthane spécialement conçue est également utilisée pour le levage de dalles de béton, qui fournit un soutien structurel en utilisant une solution légère qui ne favorisera pas le tassement supplémentaire des dalles. La mousse structurelle durcie pèse environ 4 livres par pied cube par rapport à un matériau de coulée de boue beaucoup plus lourd.
Face à la nécessité d’arrêter les fuites, de stabiliser le sol ou de contrôler l’eau, il est recommandé qu’un consultant en coulis qualifié et un entrepreneur en injection de coulis soient engagés pour fournir des recommandations d’installation et qu’un fournisseur de coulis compétent soit consulté pour aider à la sélection appropriée du coulis.
Britt N. Babcock, P.E., est directeur de la division géotechnique d’Avanti International. Avanti International est un fournisseur de services complets et un fournisseur expérimenté de coulis de ciment et de produits chimiques de haute qualité aux États-Unis.