EP4159974A1 - Polymere pour le traitement de marin issu d'un tunnelier a pression de terre - Google Patents

Polymere pour le traitement de marin issu d'un tunnelier a pression de terre Download PDF

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EP4159974A1
EP4159974A1 EP21306374.6A EP21306374A EP4159974A1 EP 4159974 A1 EP4159974 A1 EP 4159974A1 EP 21306374 A EP21306374 A EP 21306374A EP 4159974 A1 EP4159974 A1 EP 4159974A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
polyacrylate
superabsorbent polymer
sailor
bentonite
particle size
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21306374.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Laurence Boulange
Florian DOOM
Masséré DOUMBIA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eiffage GC Infra Lineaires SAS
Original Assignee
Eiffage GC Infra Lineaires SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Eiffage GC Infra Lineaires SAS filed Critical Eiffage GC Infra Lineaires SAS
Priority to EP21306374.6A priority Critical patent/EP4159974A1/fr
Publication of EP4159974A1 publication Critical patent/EP4159974A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
    • E21D9/06—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining
    • E21D9/0642—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining the shield having means for additional processing at the front end
    • E21D9/0678—Adding additives, e.g. chemical compositions, to the slurry or the cuttings

Definitions

  • the present disclosure relates to the field of material extraction by an earth pressure tunnel boring machine.
  • tunnel boring machines may be used to dig tunnels.
  • Tunnel boring machines are boring machines that excavate the section of the circular tunnel to be excavated.
  • Pressurized tunnel boring machines are suitable for loose formations (soils) and terrain encountered below the water table.
  • the mariner of an earth pressure tunnel boring machine is a pasty mixture which allows to maintain a confinement pressure on the ground, at the working face and around the shield, and which guarantees sealing at the level of the Archimedes' screw.
  • This mixture typically includes water, excavated material, and possibly polymers and bentonite.
  • the sailor must have specific rheological properties to allow the creation of a plug in the Archimedes screw in order to maintain the confinement pressure in the slaughter chamber and to be easily evacuated by the Archimedes screw then the conveyor belt .
  • the rheological properties of the sailor depend on its composition, and more particularly on its water concentration. Indeed if the water concentration of the sailor is too high then the sailor is too liquid.
  • Bentonite can also be injected through the face wheel to modify the rheological properties of the material to be excavated in order to initially improve the stability of the face and the tightness at the level of the rotating face wheel. then, in a second step, the evacuation of the sailor by controlling its rheological properties.
  • the excavated material included in the mariner of an earth pressure tunnel boring machine can be used in a concrete and/or mortar formulation for construction and public works.
  • water, polymers and bentonite included in the marine degrade the mechanical properties and setting times of the concrete and mortar produced from the excavated material. It is therefore necessary to separate the various components of the sailor to recover the excavated material in order to recover it.
  • the super-absorbent polymer of the method of the invention makes it possible to very quickly reduce the humidity level of the excavated material.
  • the humidity level of the Fontainebleau sand contained in a sailor can decrease from 25% to 5% in 30 minutes.
  • the super absorbent polymer of the process of the invention swells to produce the swollen super absorbent polymer and the dry excavated material.
  • the difference in particle size between the swollen superabsorbent polymer and the dry excavated material makes it possible to separate them simply and efficiently, for example by sieving, during step b).
  • Step a) is a simple mixing step and step b) can be a simple sieving step. These steps of the method of the invention are therefore easy to implement.
  • the method of the invention therefore allows a simple and rapid drying of the material excavated from the sailor and a simple and effective separation of the components of the sailor in a short time.
  • the dry excavated material can then be recovered in a concrete and/or mortar formulation for construction and public works.
  • the method of the invention is economical because the superabsorbent polymer of the method of the invention can be easily recovered and then recycled. Indeed, the absorption of water by the superabsorbent polymer is reversible thanks to the carboxylic acid function of said superabsorbent polymer. Indeed, by bringing the swollen superabsorbent polymer into contact with an acid pH solution, it is possible to easily recover the water on the one hand and the superabsorbent polymer on the other hand to recycle all or part of the superabsorbent polymer. in step a) mixing.
  • marine designates the cuttings evacuated from an earth pressure tunnel boring machine.
  • the marine is a pasty material comprising excavated material and water.
  • the sailor can also include additives facilitating the work of the tunnel boring machine and/or its evacuation.
  • super absorbent polymer comprising a carboxylic acid function designates a polymer comprising a carboxylic acid function which is capable of absorbing, in its dry state, at least 20 times its own weight in water (i.e. 20 g of water absorbed per gram of polymer), in particular from 250 to 1500 times its own weight in water, more particularly from 500 to 1000 times its own weight in water.
  • the value of the water absorption capacity of a polymer can be determined by dispersing 0.5 g of the polymer in 150 g of a water solution, waiting 20 minutes, filtering the unabsorbed solution through a 150 ⁇ m filter for 20 minutes and weighing unabsorbed water.
  • the particle size of the superabsorbent polymer is determined in its dry state by sieving. This technique for determining the particle size of the powders is well known to those skilled in the art, they will therefore be able to adapt it to the superabsorbent polymer of the process of the invention.
  • the superabsorbent polymer is in the form of a powder, i.e. in an individualized particulate state.
  • the swollen superabsorbent polymer retains this individualized particulate state after absorbing water comprised in the sailor. This advantageously facilitates step b) of separation.
  • the superabsorbent polymer is chosen from a polyacrylic acid, a salt of polyacrylic acid, a copolymer of polyacrylic acid, a copolymer of polyD-galacturonic acid and methyl methacrylate and mixtures thereof, in particular a polyacrylic acid, a salt of polyacrylic acid and their mixture, more particularly is a salt of polyacrylic acid.
  • the polyacrylic acid copolymer can be chosen from a copolymer of polyacrylic acid, poly( N -isopropylacrylamide) and poly([2-(methacryloyloxy)ethyl]trimethylammonium chloride), a copolymer of poly(acrylic acid- co-acrylamide) and mixtures thereof.
  • these copolymers have absorption properties suitable for the treatment of a sailor of an earth pressure tunnel boring machine.
  • the polyacrylic acid salt can be chosen from ammonium polyacrylate, silver polyacrylate, calcium polyacrylate, cesium polyacrylate, chromium polyacrylate, copper polyacrylate, iron polyacrylate, lithium polyacrylate, magnesium polyacrylate, manganese polyacrylate, palladium polyacrylate, potassium polyacrylate, rhodium polyacrylate, rubidium polyacrylate, sodium polyacrylate, zinc polyacrylate and mixtures thereof, in particular among the ammonium polyacrylate, the calcium polyacrylate, copper polyacrylate, iron polyacrylate, magnesium polyacrylate, manganese polyacrylate, potassium polyacrylate, sodium polyacrylate, zinc polyacrylate and mixtures thereof, more particularly is potassium polyacrylate.
  • the superabsorbent polymer is potassium polyacrylate.
  • the kinetics of water absorption by the potassium polyacrylate is advantageously compatible with the method of tunneling by an earth pressure tunnel boring machine.
  • it has a mechanical strength suitable for carrying out step b) of separation by a simple method such as sieving.
  • the superabsorbent polymer has a particle size between 2 mm and 3 mm and is potassium polyacrylate.
  • the super absorbent polymer can be used alone or mixed with a super adsorbent natural or synthetic silicate such as laponite.
  • excavated material is the material extracted by a tunnel boring machine used for the construction of a metro line, a train line or a road.
  • the sailor's excavated material can be chosen from sand, clay, silt and their mixtures, in particular sand, clay and their mixture, very particularly sand.
  • the excavated material is iso-granular sand.
  • isogranular sand designates an excavated material whose grain size, measured by sieving and production of grain size curves, is between 0.0625 mm and 2 mm, whose grain size is homogeneous and whose between 80% and 90%, by mass, of the grains are of identical size.
  • the grain size is considered to be homogeneous when the grains of the excavated material pass through a single sieve during measurement by sieving.
  • the grains are considered to be of identical size when the majority, in mass, of the grains of the excavated material is found between two sieves during the development of the granulometric curve by a column of sieves.
  • iso-granular sand makes it possible to produce high quality construction materials because it is free of clay and silt.
  • the stability of concrete produced by iso-granular sand is very good.
  • the sand of Fontainebleau and the Cuise sand are examples of iso-granular fine sands encountered in the Paris region.
  • the mass concentration of superabsorbent polymer in the sailor may be between 0.1% and 10%, in particular between 1% and 8%, very particularly between 2% and 4%.
  • a mass concentration of super absorbent polymer in the sailor included in these ranges offers a good compromise between the quantity of super absorbent polymer used in the process and the water absorption properties (kinetics and quantity of water absorbed) during step a) of the process.
  • Step a) of mixing can be carried out by any mixing technique known to those skilled in the art.
  • it can be carried out in a mixer positioned at the exit of a conveyor belt of the earth pressure tunnel boring machine, in the cutting chamber of the earth pressure tunnel boring machine, in the Archimedes screw of the earth pressure tunnel boring machine earth or combinations thereof, in particular in a mixer positioned at the outlet of a conveyor belt of the earth pressure tunnel boring machine.
  • step a) in the mixer is simple.
  • Carrying out step a) in the cutting chamber or in the Archimedes screw of the earth pressure tunnel boring machine can guarantee the creation of a plug to allow the correct operation of the tunnel boring machine by maintaining the confining pressure.
  • step b) can be carried out by any technique known to those skilled in the art making it possible to separate compounds from a dry mixture.
  • step b) of separation can be carried out by air separation, by centrifugal separation, by cyclone separation, by sieving or their combinations, in particular by cyclone separation, by sieving or their combination, more particularly by sieving. All these separation techniques are techniques known to those skilled in the art who will know how to adapt them to the method of the present invention.
  • sieving can be carried out using a drum system comprising several sieves or with a flat vibrating sieve.
  • Sieving is an economical and simple technique to implement. It allows easy separation between the swollen super absorbent polymer and the dry excavated material because the particle size of the dry excavated material is very different from, often much lower than, the particle size of the polymer. super absorbent puffy.
  • the carboxylic acid function of the swollen superabsorbent polymer is protonated. Without wanting to be bound by any theory, the inventors are of the opinion that this protonation allows the separation of the water and the superabsorbent polymer and then the recovery of the superabsorbent polymer.
  • recycling all or part of the superabsorbent polymer recovered at the end of step c) makes it possible to reduce the economic cost in raw material of the process according to the invention and therefore to improve its industrial viability.
  • Bentonite is commonly injected through the face wheel of the earth pressure tunnel boring machine. It makes it possible to modify the rheological properties of the material to be excavated in order to obtain a pasty mixture in the cutting chamber which makes it possible to apply uniform confinement to the working face and which makes it possible to ensure the formation of a plug in the Archimedes screw for maintaining the confining pressure. Bentonite can also be injected into the blasting chamber of the earth pressure tunneling machine to control the rheological properties of the mariner.
  • the sailor also comprises bentonite and a mixture of bentonite and dry excavated material is recovered at the end of step b) of separation.
  • the Applicant is of the opinion that the bentonite and the excavated material are recovered as a mixture at the end of step b) of separation because bentonite is a clay whose particle size is less than the particle size of the swollen super absorbent polymer and the particle size of the excavated material. This is all the more true if the excavated material is iso-granular sand, in particular Fontainebleau sand.
  • the method may further comprise a step e) of separating the mixture of bentonite and of the dry excavated material to recover on the one hand a purified dry excavated material and on the other hand the bentonite.
  • This separation step e) can typically be carried out by air separation, by centrifugal separation, by cyclone separation, by sieving or combinations thereof, in particular by cyclone separation, by sieving or their combination, more particularly by sieving. All these separation techniques are techniques known to those skilled in the art who will know how to adapt them to the method of the present invention. For example, sieving can be carried out using a drum system comprising several sieves or with a flat vibrating sieve.
  • Sieving is an economical and simple technique to implement. It allows easy separation between the purified dry excavated material and the bentonite because the grain size of the purified dry excavated material is very different from, often much lower than, the grain size of the bentonite. .
  • the purified dry excavated material can then advantageously be used in a concrete and/or mortar formulation for construction and public works.
  • the mass concentration of bentonite in the marine can be between 0.1% and 10%, in particular between 0.25% and 5%, more particularly between 0.5% and 1%.
  • a sailor comprising such a mass concentration of bentonite has rheological properties suitable for its evacuation.
  • the method of the invention may comprise a step of injecting bentonite, in particular in the form of bentonite slurry, through the face wheel of the earth pressure tunnel boring machine, into the cutting chamber of the earth pressure tunnel boring machine. or their combination.
  • Bentonite slurry is typically an aqueous suspension comprising bentonite.
  • the mass concentration of bentonite in the bentonite sludge can be between 1% and 20%, in particular between 5% and 15%, more particularly 10%.
  • All or part of the bentonite injected during this injection step or the bentonite of the bentonite slurry may be the bentonite recovered at the end of step e) of separation.
  • the sailor further comprises a super absorbent polymer having a particle size of less than 1.5 mm and a mixture of the super absorbent polymer having a particle size of less than 1.5 mm and the swollen super absorbent polymer is recovered at the end of stage b) of separation.
  • superabsorbent polymer having a particle size of less than 1.5 mm can be named superabsorbent polymer B.
  • the Applicant is of the opinion that the superabsorbent polymer B and the swollen superabsorbent polymer are recovered in the form of a mixture after of step b) of separation by virtue of their chemical affinity. This is all the more true when the two super absorbent polymers have a similar chemical structure.
  • the particle size of the superabsorbent polymer B can be between 0.08 mm and 1.25 mm.
  • the particle size of the superabsorbent polymer B is determined dry by sieving.
  • the superabsorbent polymer B has a particle size between 0.08 mm and 1.25 mm and is potassium polyacrylate.
  • the mass concentration of superabsorbent polymer B in the sailor may be less than 2%, in particular be between 0.01% and 0.5%, more particularly be between 0.05% and 0.1%.
  • a sailor comprising such a mass concentration of superabsorbent polymer B has rheological properties suitable for its evacuation.
  • the mixture of the superabsorbent polymer B and the swollen superabsorbent polymer undergoes step c) to recover on the one hand a mixture of superabsorbent polymers and on the other hand water then all or part of the mixture of recovered superabsorbent polymers undergoes step d) of recycling.
  • the method may alternatively comprise a step f) of separating the mixture of the superabsorbent polymer B and the swollen superabsorbent polymer to recover the swollen superabsorbent polymer which then undergoes step c).
  • the method of the invention may comprise a step of injecting the superabsorbent polymer B into the cutting chamber of the earth pressure tunnel boring machine, into the Archimedes screw of the earth pressure tunnel boring machine or their combination, in particular in the cutting chamber of the earth pressure tunnel boring machine.
  • a sailor comprising such mass concentrations of bentonite and of superabsorbent polymer B has rheological properties suitable for its evacuation.
  • the particle size of the superabsorbent polymer has a particle size of less than 1.5 mm (also called superabsorbent polymer B) can be between 0.08 mm and 1.25 mm.
  • the particle size of the superabsorbent polymer B is determined dry by sieving.
  • the superabsorbent polymer B is chosen from a polyacrylic acid, a salt of polyacrylic acid, a copolymer of polyacrylic acid, a copolymer of polyD-galacturonic acid and methyl methacrylate and mixtures thereof, in particular a polyacrylic acid, a salt of polyacrylic acid and their mixture, more particularly being a salt of polyacrylic acid.
  • the polyacrylic acid copolymer can be chosen from a copolymer of polyacrylic acid, poly( N -isopropylacrylamide) and poly([2-(methacryloyloxy)ethyl]trimethylammonium chloride), a copolymer of poly(acrylic acid- co-acrylamide) and mixtures thereof.
  • these copolymers have absorption properties suitable for the treatment of a sailor of an earth pressure tunnel boring machine.
  • the polyacrylic acid salt can be chosen from ammonium polyacrylate, silver polyacrylate, calcium polyacrylate, cesium polyacrylate, chromium polyacrylate, copper polyacrylate, iron polyacrylate, lithium polyacrylate, magnesium polyacrylate, manganese polyacrylate, palladium polyacrylate, potassium polyacrylate, rhodium polyacrylate, rubidium polyacrylate, sodium polyacrylate, zinc polyacrylate and mixtures thereof, in particular among the ammonium polyacrylate, calcium polyacrylate, copper polyacrylate, iron polyacrylate, magnesium polyacrylate, manganese polyacrylate, potassium polyacrylate, sodium polyacrylate, zinc polyacrylate and mixtures thereof, more particularly is potassium polyacrylate.
  • the kinetics of water absorption by the potassium polyacrylate is advantageously compatible with the method of tunneling by an earth pressure tunnel boring machine.
  • the superabsorbent polymer B is potassium polyacrylate.
  • the super-absorbent polymer B can be used alone or mixed with a natural or synthetic super-adsorbent silicate such as laponite.
  • the superabsorbent polymer B has a particle size between 2 mm and 3 mm and is potassium polyacrylate.
  • the mass concentration of superabsorbent polymer B in the sailor may be less than 2%, in particular be between 0.01% and 0.5%, more particularly be between 0.05% and 0.1%.
  • a sailor comprising such a mass concentration of superabsorbent polymer B has rheological properties suitable for its evacuation.
  • the mixing step is carried out in the cutting chamber of the earth pressure tunnel boring machine, in the Archimedes' screw of the earth pressure tunnel boring machine or their combination, in particular in the cutting chamber of the earth pressure tunnel boring machine.
  • the method of the invention may comprise a step of injecting the superabsorbent polymer B into the cutting chamber of the earth pressure tunnel boring machine.
  • the method of the invention may also comprise, before or after the mixing step, a step of injecting bentonite, in particular in the form of bentonite slurry, through the face wheel of the earth pressure tunnel boring machine, in the cutting chamber of the earth pressure tunnel boring machine or their combination.
  • the sailor can also comprise bentonite and the mass concentration of bentonite in the sailor can be between 0.1% and 10%, in particular between 0.25% and 5%, more particularly between 0.5% and 1%.
  • a sailor comprising such mass concentrations of bentonite and of superabsorbent polymer B has rheological properties suitable for its evacuation.
  • Bentonite slurry is typically an aqueous suspension comprising bentonite.
  • the mass concentration of bentonite in the bentonite sludge can be between 1% and 20%, in particular between 5% and 15%, more particularly 10%.
  • Example 1 Separation of a sailor comprising water and Fontainebleau sand by potassium polyacrylate with a particle size between 2 mm and 3 mm.
  • Potassium polyacrylate (No. CAS: 25608-12-2 , supplier: Alquera and commercial reference: PV-NFR1-S40D) whose grain size is between 2 mm and 3 mm is added to the wet sand so that its mass concentration in the wet sand is 1%.
  • the rate humidity is measured after 30 minutes after adding the potassium polyacrylate. The results are shown in Table 1. [Table 1] Initial sand moisture content Sand moisture content after 30 minutes 10% 3.36% 20% 3.31% 30% 5.35%
  • Table 1 shows that the humidity level of Fontainebleau sand is greatly reduced to values lower than or of the same order of magnitude as the average humidity level of dry Fontainebleau sand, ie 5%, in just 30 minutes. . This duration is much shorter than the three weeks required with conventional methods.
  • Example 1 therefore demonstrates that it is possible to effectively separate Fontainebleau sand and water contained in a sailor in order to valorize the recovered Fontainebleau sand thanks to the addition of potassium polyacrylate whose particle size is between 2 mm and 3 mm in just 30 minutes.
  • Example 2 Separation of a sailor comprising water, Fontainebleau sand, and bentonite by potassium polyacrylate with a particle size between 2 mm and 3 mm.
  • Potassium polyacrylate (No. CAS: 25608-12-2 , supplier: Alquera and commercial reference: PV-NFR1-S40D) whose particle size is between 2 mm and 3 mm is added to the mixture so that the mass concentration of potassium polyacrylate in the mixture is 2% or 4% .
  • the humidity level is measured every 30 minutes for 24 hours after adding the potassium polyacrylate. The results are shown in Table 2.
  • Table 2 shows that the moisture content of Fontainebleau sand is reduced to values of the same order of magnitude as the average moisture content of dry Fontainebleau sand, ie 5%, in just 3 hours with the mass concentration of 4% and in 24 hours with the mass concentration of 2%. These times are much shorter than the three weeks required with conventional methods.
  • Example 2 therefore demonstrates that it is possible to effectively separate Fontainebleau sand and water included in a sailor also comprising bentonite to enhance the Fontainebleau sand thanks to the addition of potassium polyacrylate, of which the particle size is between 2 mm and 3 mm in just 3 hours.
  • Potassium polyacrylate mass concentration Time after adding potassium polyacrylate Moisture content of the sand, bentonite, potassium polyacrylate mixture 2% 30 minutes 14.13% 1 hour 12.69% 2 hours 10.80% 3h 10.60% 24h 6.88% 4% 30 minutes 9.12% 1h30 7.48% 2 hours 7.99% 2h30 5.88% 3h 5.87%
  • Example 3 Rheological properties of a sailor comprising water, Fontainebleau sand, bentonite and potassium polyacrylate with a particle size of less than 1.5 mm.
  • Table 3 shows that the mixtures tested have rheological properties suitable for their evacuation.
  • the mixture whose mass concentration of bentonite is 10% and whose mass concentration of potassium polyacrylate with a particle size of less than 1.5 mm is 0.1% has a slump rate of 110 mm. This subsidence rate is the most compatible with the use of an earth pressure tunnel boring machine.
  • Mass concentration of bentonite in the mixture Mass concentration of potassium polyacrylate with particle size less than 1.5 mm Sag rate (mm) 5% 0.1% 180 1% 160 0.5% 120 0.25% 200 10% 0.25% 160 0.1% 110
  • Example 4 Separation of a sailor comprising water, Fontainebleau sand, bentonite and optionally potassium polyacrylate with a particle size of less than 1.5 mm.
  • Each sailor is homogenized for 15 minutes then a sample is taken and analyzed by X-ray fluorescence spectroscopy to determine the share of light elements and the percentage share of silicon in the sample analyzed.
  • the rest of each sailor is sieved using a 2 mm sieve to separate on the one hand the water and the potassium polyacrylate(s) and on the other hand the dry sand and the bentonite.
  • the dry sand and the bentonite are sieved using a 125 ⁇ m sieve to recover the dry sand.
  • a sample of the dry sand is then analyzed by X-ray fluorescence spectroscopy.
  • Table 4 presents the results of these analyzes by X-ray fluorescence spectroscopy.
  • the dry sand from Marin 1 and the dry sand from Marin 2 have contents of light elements and silicon very close to those of the Fontainebleau sand. This therefore demonstrates that the addition of potassium polyacrylate with a particle size between 2 mm and 3 mm allows good separation between the Fontainebleau sand and the other components of the two sailors.
  • Table 4 also shows that potassium polyacrylate with a particle size of less than 1.5 mm improves the separation between the Fontainebleau sand and the other components.
  • the silicon content of the dry sand of Marin 2 is in the range of silicon content of the sand of Fontainebleau.
  • the content of light elements in the dry sand of Marin 2 is very close to the content of light elements in the sand of Fontainebleau.

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Abstract

La présente invention porte sur la séparation des composants de marins issus de tunnelier à pression de terre par ajout de polymère super absorbant pour valoriser des matériaux excavés.

Description

    Domaine technique
  • La présente divulgation relève du domaine de l'extraction de matériau par un tunnelier à pression de terre.
    • Technique antérieure
  • Lors de grands travaux en génie civil, il peut être fait appel à des tunneliers pour creuser des tunnels. Les tunneliers sont des foreuses excavant la section du tunnel circulaire à creuser. Il existe classiquement deux grandes familles de tunnelier, les tunneliers ouverts et les tunneliers à bouclier pressurisé, chaque famille étant adaptée à la qualité des terrains. Les tunneliers pressurisés sont adaptés aux formations meubles (sols) et aux terrains rencontrés sous la nappe phréatique.
  • Les tunneliers à pression de terre font partie de la famille des tunneliers à bouclier pressurisé. Les tunneliers à pression de terre sont particulièrement adaptés pour le creusement dans les formations meubles sous la nappe phréatique. Ils fonctionnent dans différentes granulométries allant des sols sableux aux sols argileux. Classiquement un tunnelier à pression de terre comprend :
    • un bouclier,
    • une roue de taille tournante qui assure l'abattage du matériau à excaver,
    • une chambre d'abattage qui récupère le matériau excavé par la roue de taille,
    • une vis d'Archimède qui évacue le marin de la chambre d'abattage, et
    • un tapis convoyeur qui évacue le marin depuis la fin de la vis d'Archimède jusqu'à la sortie du tunnel creusé.
  • Le marin d'un tunnelier à pression de terre est un mélange pâteux qui permet de maintenir une pression de confinement sur le terrain, au front de taille et autour du bouclier, et qui garantit l'étanchéité au niveau de la vis d'Archimède. Ce mélange comprend généralement de l'eau, du matériau excavé et, éventuellement, des polymères et de la bentonite. Le marin doit présenter des propriétés rhéologiques spécifiques pour permettre la création d'un bouchon dans la vis d'Archimède afin de maintenir la pression de confinement dans la chambre d'abattage et pour être facilement évacué par la vis d'Archimède puis le tapis convoyeur. Les propriétés rhéologiques du marin dépendent de sa composition, et plus particulièrement de sa concentration en eau. En effet si la concentration en eau du marin est trop élevée alors le marin est trop liquide. Dans ce cas, il ne permet pas l'obtention d'une pâte nécessaire au maintien du confinement dans la chambre et le marin sera difficilement transportable et va couler hors du tapis convoyeur. A l'inverse si la concentration en eau est trop faible alors le marin est trop compact. Dans ce cas, il ne permet pas la création d'un bouchon et ne peut être évacué par la vis d'Archimède.
    L'eau peut être ajoutée au marin pour en augmenter la concentration en eau. L'eau peut aussi être naturellement présente dans le marin, par exemple lorsque le matériau excavé se trouve sous la nappe phréatique. Dans ce cas, la concentration en eau dans le marin peut être contrôlée par l'ajout de polymères absorbant l'eau.
    De la bentonite peut également être injectée à travers la roue de taille pour modifier les propriétés rhéologiques du matériau à excaver afin d'améliorer, dans un premier temps, la stabilité du front de taille et l'étanchéité au niveau de la roue de taille tournante puis, dans un second temps, l'évacuation du marin en contrôlant ses propriétés rhéologiques.
  • En fonction de ses propriétés physico-chimiques, le matériau excavé compris dans le marin d'un tunnelier à pression de terre peut être valorisé dans une formulation de béton et/ou mortier pour la construction et le BTP. Cependant l'eau, les polymères et la bentonite compris dans le marin dégradent les propriétés mécaniques et les temps de prise du béton et du mortier produit à partir du matériau excavé. Il est donc nécessaire de séparer les différents composants du marin pour récupérer le matériau excavé en vue de le valoriser.
  • Actuellement, les polymères et la bentonite sont séparés du matériau excavé par un lavage à l'eau qui nécessite une grande quantité d'eau qu'il faut ensuite éliminer. L'eau est ensuite séparée du matériau excavé par séchage à l'air libre, ce qui peut prendre de 1 à 3 semaines. Ces différentes étapes étant longues et fastidieuses, il est rare que le matériau excavé soit valorisé.
  • Il existe donc un besoin d'un procédé permettant de faciliter la séparation des composants du marin d'un tunnelier à pression de terre pour récupérer et valoriser le matériau excavé. Ce besoin est d'autant plus important qu'un tunnelier à pression de terre peut évacuer jusqu'à 800 tonnes de marin par jour.
    • Résumé
  • Après de nombreuses recherches, la Demanderesse a mis au point un procédé de traitement d'un marin d'un tunnelier à pression de terre qui résout ce problème.
  • Ainsi la présente invention porte sur un procédé de traitement d'un marin d'un tunnelier à pression de terre, le marin comprenant un matériau excavé et de l'eau, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
    1. a) mélange du marin avec un polymère super absorbant pour obtenir un marin traité, et
    2. b) séparation des composants du marin traité pour récupérer d'une part un matériau excavé sec et d'autre part un polymère super absorbant gonflé comprenant de l'eau,
    • caractérisé en ce que
    • le polymère super absorbant comprend une fonction acide carboxylique, et
    • le polymère super absorbant présente une granulométrie supérieure à 1,5 mm et inférieure ou égale à 10 mm, en particulier comprise entre 1,75 mm et 5 mm, plus particulièrement comprise entre 2 mm et 3 mm.
  • De façon avantageuse, en absorbant l'eau du marin très rapidement lors de l'étape a), le polymère super absorbant du procédé de l'invention permet de diminuer très rapidement le taux d'humidité du matériau excavé. Par exemple, le taux d'humidité du sable de Fontainebleau compris dans un marin peut diminuer de 25% à 5% en 30 minutes.
  • En absorbant l'eau du marin, le polymère super absorbant du procédé de l'invention gonfle pour produire le polymère super absorbant gonflé et le matériau excavé sec. La différence de granulométrie entre le polymère super absorbant gonflé et le matériau excavé sec permet de les séparer simplement et efficacement, par exemple par tamisage, lors de l'étape b).
  • L'étape a) est une simple étape de mélange et l'étape b) peut être une simple étape de tamisage. Ces étapes du procédé de l'invention sont donc faciles à mettre en œuvre.
  • Le procédé de l'invention permet donc un séchage simple et rapide du matériau excavé du marin et une séparation simple et efficace des composants du marin en peu de temps. Ainsi le matériau excavé sec peut ensuite être valorisé dans une formulation de béton et/ou mortier pour la construction et le BTP.
  • En outre le procédé de l'invention est économe car le polymère super absorbant du procédé de l'invention peut être facilement récupéré puis recyclé. En effet, l'absorption de l'eau par le polymère super absorbant est réversible grâce à la fonction acide carboxylique dudit polymère super absorbant. En effet, en mettant en contact le polymère super absorbant gonflé avec une solution de pH acide, il est possible de facilement récupérer l'eau d'une part et le polymère super absorbant d'autre part pour recycler tout ou partie du polymère super absorbant dans l'étape a) de mélange.
    • Description des modes de réalisation
  • Selon un premier aspect, la présente invention porte sur un procédé de traitement d'un marin d'un tunnelier à pression de terre, le marin comprenant un matériau excavé et de l'eau, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
    1. a) mélange du marin avec un polymère super absorbant pour obtenir un marin traité, et
    2. b) séparation des composants du marin traité pour récupérer d'une part un matériau excavé sec et d'autre part un polymère super absorbant gonflé comprenant de l'eau,
    • caractérisé en ce que
    • le polymère super absorbant comprend une fonction acide carboxylique, et
    • le polymère super absorbant présente une granulométrie supérieure à 1,5 mm et inférieure ou égale à 10 mm, en particulier comprise entre 1,75 mm et 5 mm, plus particulièrement comprise entre 2 mm et 3 mm.
  • Au sens de la présente demande, "tunnelier à pression de terre" désigne un tunnelier à pression de terre classique comprenant :
    • un bouclier,
    • une roue de taille tournante qui assure l'abattage du matériau à excaver,
    • une chambre d'abattage qui récupère le matériau excavé par la roue de taille,
    • une vis d'Archimède qui évacue le marin de la chambre d'abattage, et
    • un tapis convoyeur qui évacue le marin depuis la fin de la vis d'Archimède jusqu'à la sortie du tunnel creusé.
  • Au sens de la présente demande, "marin" désigne les déblais évacués d'un tunnelier à pression de terre. Typiquement le marin est un matériau pâteux comprenant du matériau excavé et de l'eau. Le marin peut également comprendre des additifs facilitant le travail du tunnelier et/ou son évacuation.
  • Au sens de la présente demande, "polymère super absorbant comprenant une fonction acide carboxylique" désigne un polymère comprenant une fonction acide carboxylique qui est capable d'absorber, à son état sec, au moins 20 fois son propre poids en eau (soit 20 g d'eau absorbée par gramme de polymère), en particulier de 250 à 1500 fois son propre poids en eau, plus particulièrement de 500 à 1000 fois son propre poids en eau.
  • Ces caractéristiques d'absorption d'eau sont définies aux conditions normales de température (25°C) et de pression (760 mm Hg soit 100000 Pa) et pour de l'eau distillée. La valeur de la capacité d'absorption d'eau d'un polymère peut être déterminée en dispersant 0,5 g du polymère dans 150 g d'une solution d'eau, en attendant 20 minutes, en filtrant la solution non absorbée sur un filtre de 150 pm pendant 20 minutes et en pesant l'eau non absorbée.
  • La granulométrie du polymère super absorbant est déterminée à son état sec par tamisage. Cette technique de détermination de la granulométrie des poudres est bien connue de l'homme du métier, il saura donc l'adapter au polymère super absorbant du procédé de l'invention.
  • Lors de l'étape a), le polymère super absorbant se présente sous la forme d'une poudre, i.e. dans un état particulaire individualisé. Le polymère super absorbant gonflé conserve cet état particulaire individualisé après absorption de l'eau comprise dans le marin. Cela facilite avantageusement l'étape b) de séparation.
  • Selon un mode de réalisation, le polymère super absorbant est choisi parmi un acide polyacrylique, un sel d'acide polyacrylique, un copolymère d'acide polyacrylique, un copolymère de polyacide D-galacturonique et de méthacrylate de méthyle et leurs mélanges, en particulier un acide polyacrylique, un sel d'acide polyacrylique et leur mélange, plus particulièrement est un sel d'acide polyacrylique.
  • Typiquement, le copolymère d'acide polyacrylique peut être choisi parmi un copolymère d'acide polyacrylique, de poly(N-isopropylacrylamide) et de poly([2-(methacryloyloxy)ethyl] trimethylammonium chloride), un copolymère de poly(acide acrylique-co-acrylamide) et leur mélange.
  • De façon avantageuse, ces copolymères présentent des propriétés d'absorption adaptées au traitement d'un marin d'un tunnelier à pression de terre.
  • Typiquement, le sel d'acide polyacrylique peut être choisi parmi le polyacrylate d'ammonium, le polyacrylate d'argent, le polyacrylate de calcium, le polyacrylate de césium, le polyacrylate de chrome, le polyacrylate de cuivre, le polyacrylate de fer, le polyacrylate de lithium, le polyacrylate de magnésium, le polyacrylate de manganèse, le polyacrylate de palladium, le polyacrylate de potassium, le polyacrylate de rhodium, le polyacrylate de rubidium, le polyacrylate de sodium, polyacrylate de zinc et leurs mélanges, en particulier parmi le polyacrylate d'ammonium, le polyacrylate de calcium, le polyacrylate de cuivre, le polyacrylate de fer, le polyacrylate de magnésium, le polyacrylate de manganèse, le polyacrylate de potassium, le polyacrylate de sodium, polyacrylate de zinc et leurs mélanges, plus particulièrement est le polyacrylate de potassium.
  • Selon un mode de réalisation spécifique, le polymère super absorbant est le polyacrylate de potassium.
  • La cinétique d'absorption de l'eau par le polyacrylate de potassium est avantageusement compatible avec le procédé de creusement de tunnel par un tunnelier à pression de terre. De plus, il présente une résistance mécanique adaptée à la réalisation de l'étape b) de séparation par une méthode simple tel que le tamisage.
  • Selon un mode de réalisation spécifique, le polymère super absorbant présente une granulométrie comprise entre 2 mm et 3 mm et est le polyacrylate de potassium.
  • Le polymère super absorbant peut être utilisé seul ou en mélange avec un silicate naturel ou synthétique super adsorbant tel que la laponite.
  • Au sens de la présente demande, "matériau excavé" (aussi appelé "matériau d'excavation") désigne tout matériau issu de travaux de génie civil ou de construction que ce soit à la surface de la Terre, par exemple lors de fouilles ou de création de fondation, ou dans le sous-sol, par exemple lors du creusement de tunnels, cavernes et galeries. Le matériau excavé comprend alors des :
    • terrains meubles tels que graviers, sables, limons, argiles ou leurs mélanges ;
    • rochers concassés ;
    • matériaux provenant de constructions antérieures ou de sites pollués tels que des décharges ; ou
    • boues.
  • Par exemple, le matériau excavé est le matériau extrait par un tunnelier utilisé pour la construction d'une ligne de métro, d'une ligne de train ou d'une route.
  • Le matériau excavé du marin peut être choisi parmi du sable, de l'argile, du limon et leurs mélanges, en particulier du sable, de l'argile et leur mélange, tout particulièrement du sable.
  • Selon un mode de réalisation spécifique, le matériau excavé est du sable iso-granulaire.
  • Au sens de la présente demande, "sable iso-granulaire" désigne un matériau excavé dont la granulométrie, mesurée par tamisage et réalisation de courbes granulométrique, est comprise entre 0,0625 mm et 2 mm, dont la taille des grains est homogène et dont entre 80% et 90%, en masse, des grains sont de taille identique. La granulométrie est considérée comme homogène lorsque les grains du matériau excavé passent au travers d'un seul et même tamis lors de la mesure par tamisage. Les grains sont considérés de taille identique lorsque la majorité, en masse, des grains du matériau excavé se retrouve entre deux tamis lors de l'élaboration de la courbe granulométrique par une colonne de tamis. De façon avantageuse, le sable iso-granulaire permet de produire des matériaux de construction de grande qualité car il est dépourvu d'argile et de limon. Par exemple, la stabilité du béton produit par du sable iso-granulaire est très bonne. Le sable de Fontainebleau et le sable de Cuise sont des exemples de sables fins iso-granulaires rencontrés dans la région parisienne.
  • Typiquement, lors de l'étape a), la concentration massique en polymère super absorbant dans le marin peut être comprise entre 0,1% et 10%, en particulier entre 1% et 8%, tout particulièrement entre 2% et 4%.
  • Une concentration massique en polymère super absorbant dans le marin comprise dans ces gammes offre un bon compromis entre la quantité de polymère super absorbant mis en œuvre dans le procédé et les propriétés d'absorption de l'eau (cinétique et quantité d'eau absorbée) lors de l'étape a) du procédé.
  • L'étape a) de mélange peut être réalisée par toutes techniques de mélange connues de l'homme du métier. Par exemple, elle peut être réalisée dans un malaxeur positionné à la sortie d'un tapis convoyeur du tunnelier à pression de terre, dans la chambre d'abattage du tunnelier à pression de terre, dans la vis d'Archimède du tunnelier à pression de terre ou leurs combinaisons, en particulier dans un malaxeur positionné à la sortie d'un tapis convoyeur du tunnelier à pression de terre.
  • De façon avantageuse, réaliser l'étape a) dans le malaxeur est simple. Réaliser l'étape a) dans la chambre d'abattage ou dans la vis d'Archimède du tunnelier à pression de terre peut garantir la création d'un bouchon pour permettre le bon fonctionnement du tunnelier en maintenant la pression de confinement.
  • Le marin traité issu de l'étape a) et subissant l'étape b) est un mélange sec de matériau excavé et de polymère super absorbant gonflé. Ainsi l'étape b) peut être réalisée par toutes techniques connues de l'homme du métier permettant de séparer des composés d'un mélange sec. Par exemple, l'étape b) de séparation peut être réalisée par séparation à air, par séparation centrifuge, par séparation cyclone, par tamisage ou leurs combinaisons, en particulier par séparation cyclone, par tamisage ou leur combinaison, plus particulièrement par tamisage. Toutes ces techniques de séparation sont des techniques connues de l'homme du métier qui saura les adapter au procédé de la présente invention. Par exemple, le tamisage peut être réalisée à l'aide d'un système à tambour comprenant plusieurs tamis ou avec un tamis vibrant plat.
  • Le tamisage est une technique économique et simple à mettre en œuvre.Elle permet la séparation facile entre le polymère super absorbant gonflé et le matériau excavé sec car la granulométrie du matériau excavé sec est très différente de, souvent très inférieure à, la granulométrie du polymère super absorbant gonflé.
  • Selon un mode de réalisation, le procédé de l'invention comprend en outre les étapes suivantes :
    • c) mise en contact du polymère super absorbant gonflé récupéré lors de l'étape b) avec une solution de pH acide, en particulier de pH compris entre 1 et 5, tout particulièrement de pH compris entre 2,5 et 3,5 et récupération d'une part du polymère super absorbant et d'autre part de l'eau, et
    • d) recyclage dans l'étape a) de tout ou partie du polymère super absorbant récupéré à l'issu de l'étape c).
  • Au cours de l'étape c) de mise en contact, la fonction acide carboxylique du polymère super absorbant gonflé est protonée. Sans vouloir être liée par aucune théorie, les inventeurs sont d'avis que cette protonation permet la séparation de l'eau et du polymère super absorbant puis la récupération du polymère super absorbant.
  • De façon avantageuse, recycler tout ou partie du polymère super absorbant récupéré à la fin de l'étape c) permet de diminuer le coût économique en matière première du procédé selon l'invention et donc d'améliorer sa viabilité industrielle.
  • De la bentonite est couramment injectée à travers la roue de taille du tunnelier à pression de terre. Elle permet de modifier les propriétés rhéologiques du matériau à excaver afin d'obtenir un mélange pâteux dans la chambre d'abattage qui permet d'appliquer un confinement uniforme au front de taille et qui permet d'assurer la formation d'un bouchon dans la vis d'Archimède pour le maintien de la pression de confinement. De la bentonite peut également être injectée dans la chambre d'abattage du tunnelier à pression de terre pour contrôler les propriétés rhéologiques du marin.
  • Ainsi, selon un mode de réalisation, le marin comprend en outre de la bentonite et un mélange de bentonite et du matériau excavé sec est récupéré à l'issue de l'étape b) de séparation.
  • Sans vouloir être lié par aucune théorie, la Demanderesse est d'avis que la bentonite et le matériau excavé sont récupérés en mélange à l'issue de l'étape b) de séparation car la bentonite est une argile dont la granulométrie est inférieure à la granulométrie du polymère super absorbant gonflé et à la granulométrie du matériau excavé. Ceci est d'autant plus vrai si le matériau excavé est du sable iso-granulaire, en particulier du sable de Fontainebleau.
  • Selon ce mode de réalisation, le procédé peut comprendre en outre une étape e) de séparation du mélange de bentonite et du matériau excavé sec pour récupérer d'une part un matériau excavé sec purifié et d'autre part la bentonite.
  • Cette étape e) de séparation peut typiquement être réalisée par séparation à air, par séparation centrifuge, par séparation cyclone, par tamisage ou leurs combinaisons, en particulier par séparation cyclone, par tamisage ou leur combinaison, plus particulièrement par tamisage. Toutes ces techniques de séparation sont des techniques connues de l'homme du métier qui saura les adapter au procédé de la présente invention. Par exemple, le tamisage peut être réalisée à l'aide d'un système à tambour comprenant plusieurs tamis ou avec un tamis vibrant plat.
  • Le tamisage est une technique économique et simple à mettre en œuvre.Elle permet la séparation facile entre le matériau excavé sec purifié et la bentonite car la granulométrie du matériau excavé sec purifié est très différente de, souvent très inférieure à, la granulométrie de la bentonite.
  • Le matériau excavé sec purifié peut ensuite avantageusement être valorisé dans une formulation de béton et/ou de mortier pour la construction et le BTP.
  • La concentration massique en bentonite dans le marin peut être comprise entre 0,1% et 10%, en particulier entre 0,25% et 5%, plus particulièrement entre 0,5% et 1%.
  • De façon avantageuse, un marin comprenant une telle concentration massique en bentonite présente des propriétés rhéologiques adaptées à son évacuation.
  • Le procédé de l'invention peut comprendre une étape d'injection de bentonite, en particulier sous forme de boue de bentonite, à travers la roue de taille du tunnelier à pression de terre, dans la chambre d'abattage du tunnelier à pression de terre ou leur combinaison.
  • La boue de bentonite est classiquement une suspension aqueuse comprenant de la bentonite. La concentration massique en bentonite de la boue de bentonite peut être comprise entre 1% et 20%, en particulier entre 5% et 15%, plus particulièrement de 10%.
  • Tout ou partie de la bentonite injectée au cours de cette étape d'injection ou la bentonite de la boue de bentonite peut être la bentonite récupérée à l'issue de l'étape e) de séparation.
  • La Demanderesse a découvert qu'il était avantageux d'ajouter au marin présent dans la chambre d'abattage du tunnelier à pression de terre ou dans la vis d'Archimède du tunnelier à pression de terre, en particulier dans la chambre d'abattage du tunnelier à pression de terre, un polymère super absorbant présentant une granulométrie inférieure à 1,5 mm et, de préférence, une structure chimique similaire à la structure chimique du polymère super absorbant mis en œuvre dans l'étape a) de mélange. En effet, cet ajout permet :
    • au marin de présenter des propriétés rhéologiques permettant d'assurer et de maintenir le confinement dans la chambre du tunnelier, de créer un bouchon dans la vis d'Archimède et son évacuation facile, et
    • de faciliter la séparation des composants du marin traité lors de l'étape b) du procédé de la présente invention.
  • Ainsi, selon un mode de réalisation, le marin comprend en outre un polymère super absorbant présentant une granulométrie inférieure à 1,5 mm et un mélange du polymère super absorbant présentant une granulométrie inférieure à 1,5 mm et du polymère super absorbant gonflé est récupéré à l'issue de l'étape b) de séparation.
  • Dans la suite de la description, le polymère super absorbant présentant une granulométrie inférieure à 1,5 mm peut être nommé polymère super absorbant B.
  • Selon un mode de réalisation, le polymère super absorbant B présente une structure chimique similaire à la structure chimique du polymère super absorbant mis en œuvre dans l'étape
    • a) de mélange.
  • Sans vouloir être lié par aucune théorie, la Demanderesse est d'avis que le polymère super absorbant B et le polymère super absorbant gonflé sont récupérés sous forme de mélange à l'issue de l'étape b) de séparation grâce à leur affinité chimique. Ceci est d'autant plus vrai quand les deux polymères super absorbants ont une structure chimique similaire.
  • En particulier, la granulométrie du polymère super absorbant B peut être comprise entre 0,08 mm et 1,25 mm. La granulométrie du polymère super absorbant B est déterminée à sec par tamisage.
  • Selon un mode de réalisation spécifique, le polymère super absorbant B présente une granulométrie comprise entre 0,08 mm et 1,25 mm et est le polyacrylate de potassium.
  • La concentration massique en polymère super absorbant B dans le marin peut être inférieure à 2%, en particulier être entre 0,01% et 0,5%, plus particulièrement être entre 0,05% et 0,1%.
  • De façon avantageuse, un marin comprenant une telle concentration massique en polymère super absorbant B présente des propriétés rhéologiques adaptées à son évacuation.
  • Selon un mode de réalisation, le mélange du polymère super absorbant B et du polymère super absorbant gonflé subit l'étape c) pour récupérer d'une part un mélange de polymères super absorbants et d'autre part de l'eau puis tout ou partie du mélange de polymères super absorbants récupéré subit l'étape d) de recyclage.
  • Selon un mode de réalisation, le procédé peut alternativement comprendre une étape f) de séparation du mélange du polymère super absorbant B et du polymère super absorbant gonflé pour récupérer le polymère super absorbant gonflé qui subit ensuite l'étape c).
  • Le procédé de l'invention peut comprendre une étape d'injection du polymère super absorbant B dans la chambre d'abattage du tunnelier à pression de terre, dans la vis d'Archimède du tunnelier à pression de terre ou leur combinaison, en particulier dans la chambre d'abattage du tunnelier à pression de terre.
  • Selon un mode de réalisation spécifique,
    • la concentration massique en bentonite dans le marin est comprise entre 0,1% et 10%, en particulier entre 0,25% et 5%, plus particulièrement entre 0,5% et 1%, et
    • la concentration massique en polymère super absorbant B dans le marin est inférieure à 2%, en particulier être entre 0,01% et 0,5%, plus particulièrement être entre 0,05% et 0,1%.
  • De façon avantageuse, un marin comprenant de telles concentrations massiques en bentonite et en polymère super absorbant B présente des propriétés rhéologiques adaptées à son évacuation.
  • Selon ce mode de réalisation spécifique, le procédé de l'invention peut comprendre :
    • une étape d'injection de bentonite, en particulier sous forme de boue de bentonite, à travers la roue de taille du tunnelier à pression de terre, dans la chambre d'abattage du tunnelier à pression de terre ou leur combinaison, et
    • une étape d'injection du polymère super absorbant B dans la chambre d'abattage du tunnelier à pression de terre ou leur combinaison.
  • Selon un autre aspect, l'invention porte également sur un procédé de traitement d'un marin d'un tunnelier à pression de terre, ledit procédé comprenant une étape de mélange du marin avec un polymère super absorbant,
    • caractérisé en ce que
    • le polymère super absorbant comprend une fonction acide carboxylique, et
    • le polymère super absorbant présente une granulométrie inférieure à 1,5 mm.
  • En particulier, la granulométrie du polymère super absorbant présente une granulométrie inférieure à 1,5 mm (aussi appelé polymère super absorbant B) peut être comprise entre 0,08 mm et 1,25 mm. La granulométrie du polymère super absorbant B est déterminée à sec par tamisage.
  • Selon un mode de réalisation, le polymère super absorbant B est choisi parmi un acide polyacrylique, un sel d'acide polyacrylique, un copolymère d'acide polyacrylique, un copolymère de polyacide D-galacturonique et de méthacrylate de méthyle et leurs mélanges, en particulier un acide polyacrylique, un sel d'acide polyacrylique et leur mélange, plus particulièrement être un sel d'acide polyacrylique.
  • Typiquement, le copolymère d'acide polyacrylique peut être choisi parmi un copolymère d'acide polyacrylique, de poly(N-isopropylacrylamide) et de poly([2-(methacryloyloxy)ethyl] trimethylammonium chloride), un copolymère de poly(acide acrylique-co-acrylamide) et leur mélange.
  • De façon avantageuse, ces copolymères présentent des propriétés d'absorption adaptées au traitement d'un marin d'un tunnelier à pression de terre.
  • Typiquement, le sel d'acide polyacrylique peut être choisi parmi le polyacrylate d'ammonium, le polyacrylate d'argent, le polyacrylate de calcium, le polyacrylate de césium, le polyacrylate de chrome, le polyacrylate de cuivre, le polyacrylate de fer, le polyacrylate de lithium, le polyacrylate de magnésium, le polyacrylate de manganèse, le polyacrylate de palladium, le polyacrylate de potassium, le polyacrylate de rhodium, le polyacrylate de rubidium, le polyacrylate de sodium, polyacrylate de zinc et leurs mélanges, en particulier parmi le polyacrylate d'ammonium, le polyacrylate de calcium, le polyacrylate de cuivre, le polyacrylate de fer, le polyacrylate de magnésium, le polyacrylate de manganèse, le polyacrylate de potassium, le polyacrylate de sodium, polyacrylate de zinc et leurs mélanges, plus particulièrement est le polyacrylate de potassium.
  • La cinétique d'absorption de l'eau par le polyacrylate de potassium est avantageusement compatible avec le procédé de creusement de tunnel par un tunnelier à pression de terre.
  • Selon un mode de réalisation spécifique, le polymère super absorbant B est le polyacrylate de potassium.
  • Le polymère super absorbant B peut être utilisé seul ou en mélange avec un silicate naturel ou synthétique super adsorbant tel que la laponite.
  • Selon un mode de réalisation spécifique, le polymère super absorbant B présente une granulométrie comprise entre 2 mm et 3 mm et est le polyacrylate de potassium.
  • La concentration massique en polymère super absorbant B dans le marin peut être inférieure à 2%, en particulier être entre 0,01% et 0,5%, plus particulièrement être entre 0,05% et 0,1%.
  • De façon avantageuse, un marin comprenant une telle concentration massique en polymère super absorbant B présente des propriétés rhéologiques adaptées à son évacuation.
  • Selon un mode de réalisation l'étape de mélange est réalisée dans la chambre d'abattage du tunnelier à pression de terre, dans la vis d'Archimède du tunnelier à pression de terre ou leur combinaison, en particulier dans la chambre d'abattage du tunnelier à pression de terre.
  • Selon ce mode de réalisation, le procédé de l'invention peut comprendre une étape d'injection du polymère super absorbant B dans la chambre d'abattage du tunnelier à pression de terre.
  • Le procédé de l'invention peut également comprendre, avant ou après l'étape de mélange, une étape d'injection de bentonite, en particulier sous forme de boue de bentonite, à travers la roue de taille du tunnelier à pression de terre, dans la chambre d'abattage du tunnelier à pression de terre ou leur combinaison.
  • Ainsi le marin peut en outre comprendre de la bentonite et la concentration massique en bentonite dans le marin peut être comprise entre 0,1% et 10%, en particulier entre 0,25% et 5%, plus particulièrement entre 0,5% et 1%.
  • De façon avantageuse, un marin comprenant de telles concentrations massiques en bentonite et en polymère super absorbant B présente des propriétés rhéologiques adaptées à son évacuation.
  • La boue de bentonite est classiquement une suspension aqueuse comprenant de la bentonite. La concentration massique en bentonite de la boue de bentonite peut être comprise entre 1% et 20%, en particulier entre 5% et 15%, plus particulièrement de 10%.
    • Exemples
  • Les exemples qui suivent permettent d'illustrer l'invention sans toutefois la limiter.
    • Exemple 1 : Séparation d'un marin comprenant de l'eau et du sable de Fontainebleau par du polyacrylate de potassium de granulométrie comprise entre 2 mm et 3 mm.
  • Dans une bétonnière, de l'eau est ajoutée à du sable de Fontainebleau iso-granulaire sec issu de la carrière Sobelco (granulométrie comprise entre 0,125 mm et 0,25 mm) de sorte que le taux d'humidité du sable soit de 10%, 20% ou 30% (le taux d'humidité moyen du sable de Fontainebleau sous la nappe phréatique sur le futur tracé de la ligne 18-3 du métro Grand Paris Express est de 25%). Le taux d'humidité est égal au ratio masse totale − masse s è che masse totale
    Figure imgb0001
    , la masse sèche étant déterminée après séchage de la masse totale à 145°C pendant 30 minutes.
  • Du polyacrylate de potassium (N° CAS : 25608-12-2, fournisseur : Alquera et référence commerciale : PV-NFR1-S40D) dont la granulométrie est comprise entre 2 mm et 3 mm est ajouté au sable humide de sorte que sa concentration massique dans le sable humide est de 1%. Le taux d'humidité est mesuré au bout de 30 minutes après ajout du polyacrylate de potassium. Les résultats sont présentés dans le Tableau 1. [Tableau 1]
    Taux d'humidité du sable initial Taux d'humidité du sable après 30 minutes
    10% 3,36%
    20% 3,31%
    30% 5,35%
  • Le Tableau 1 met en évidence que le taux d'humidité du sable de Fontainebleau est fortement diminué à des valeurs inférieures ou du même ordre de grandeur que le taux d'humidité moyen du sable de Fontainebleau sec, i.e. 5%, en seulement 30 minutes. Cette durée est bien moins longue que les trois semaines nécessaires avec les méthodes classiques.
  • L'exemple 1 met donc en évidence qu'il est possible de séparer efficacement du sable de Fontainebleau et de l'eau compris dans un marin afin de valoriser le sable de Fontainebleau récupéré grâce à l'ajout du polyacrylate de potassium dont la granulométrie est comprise entre 2 mm et 3 mm en seulement 30 minutes.
    • Exemple 2 : Séparation d'un marin comprenant de l'eau, du sable de Fontainebleau, et de la bentonite par du polyacrylate de potassium de granulométrie comprise entre 2 mm et 3 mm.
  • Dans une bétonnière, de l'eau est ajoutée à du sable de Fontainebleau iso-granulaire sec issu de la carrière Sobelco (granulométrie comprise entre 0,125 mm et 0,25 mm) de sorte que le taux d'humidité du sable soit de 25%. Une suspension aqueuse de bentonite à 10% de concentration massique (fournisseur : Clariant, référence commerciale 6103319) est ajoutée de sorte que la concentration massique en bentonite dans le sable humide est 1%. Le mélange est homogénéisé pendant 5 minutes.
  • Du polyacrylate de potassium (N° CAS : 25608-12-2, fournisseur : Alquera et référence commerciale : PV-NFR1-S40D) dont la granulométrie est comprise entre 2 mm et 3 mm est ajouté au mélange de sorte que la concentration massique en polyacrylate de potassium dans le mélange est de 2% ou de 4%. Le taux d'humidité est mesuré chaque 30 minutes pendant 24 heures après ajout du polyacrylate de potassium. Les résultats sont présentés dans le Tableau 2.
  • Le Tableau 2 met en évidence que le taux d'humidité du sable de Fontainebleau est diminué à des valeurs du même ordre de grandeur que le taux d'humidité moyen du sable de Fontainebleau sec, i.e. 5%, en seulement 3h avec la concentration massique de 4% et en 24h avec la concentration massique de 2%. Ces durées sont bien moins longues que les trois semaines nécessaires avec les méthodes classiques.
  • L'exemple 2 met donc en évidence qu'il est possible de séparer efficacement du sable de Fontainebleau et de l'eau compris dans un marin comprenant également de la bentonite pour valoriser le sable de Fontainebleau grâce à l'ajout du polyacrylate de potassium dont la granulométrie est comprise entre 2 mm et 3 mm en seulement 3h. [Tableau 2]
    Concentration massique en polyacrylate de potassium Temps après ajout du polyacrylate de potassium Taux d'humidité du mélange sable, bentonite, polyacrylate de potassium
    2% 30 minutes 14,13%
    1h 12,69%
    2h 10,80%
    3h 10,60%
    24h 6,88%
    4% 30 minutes 9,12%
    1h30 7,48%
    2h 7,99%
    2h30 5,88%
    3h 5,87%
    • Exemple 3 : Propriétés rhéologiques d'un marin comprenant de l'eau, du sable de Fontainebleau, bentonite et polyacrylate de potassium de granulométrie inférieure à 1,5 mm.
  • Dans cet exemple 3, les mélanges suivants ont été réalisés dans une bétonnière :
    • 12 kg de sable de Fontainebleau issu de la carrière Sobelco ayant un taux d'humidité de 25% ,
    • une solution de bentonite à 10% de concentration massique (fournisseur : Clariant, référence commerciale 6103319) de sorte que les mélanges comprennent différentes concentrations massiques en bentonite, et
    • un polyacrylate de potassium de granulométrie inférieure à 1,5 mm en poudre (fournisseur : Sigma Aldrich, référence : 435325) de sorte que les mélanges comprennent différentes concentrations massiques en polyacrylate de potassium.
  • Chaque mélange est homogénéisé pendant 5 minutes, puis subit le test slump de la norme NF EN 12350-2, juin 2019 pour déterminer son taux d'affaissement. Un marin dont le taux d'affaissement est de 100 mm à 200 mm présente des propriétés rhéologiques adaptées à son évacuation. Les mélanges et leurs résultats au test slump sont présentés dans le Tableau 3 ci-dessous.
  • Le Tableau 3 met en évidence que les mélanges testés présentent des propriétés rhéologiques adaptées à leur évacuation. Le mélange dont la concentration massique en bentonite est de 10% et dont la concentration massique en polyacrylate de potassium de granulométrie inférieure à 1,5 mm est de 0,1% présente un taux d'affaissement de 110 mm. Ce taux d'affaissement est le plus compatible avec l'utilisation d'un tunnelier à pression de terre. [Tableau 3]
    Concentration massique en bentonite dans le mélange Concentration massique en polyacrylate de potassium de granulométrie inférieure à 1,5 mm Taux d'affaissement (mm)
    5% 0,1% 180
    1% 160
    0,5% 120
    0,25% 200
    10% 0,25% 160
    0,1% 110
    • Exemple 4 : Séparation d'un marin comprenant de l'eau, du sable de Fontainebleau, bentonite et éventuellement du polyacrylate de potassium de granulométrie inférieure à 1,5 mm.
  • Un Marin 1 comprenant les composants suivants est produit dans une bétonnière :
    • sable de Fontainebleau issu de la carrière Sobelco ayant un taux d'humidité de 25%,
    • polyacrylate de potassium de granulométrie comprise entre 2 mm et 3 mm (N° CAS : 25608-12-2, fournisseur : Alquera et référence commerciale : PV-NFR1-S40D) à une concentration massique de 3%, et
    • bentonite à une concentration massique de 1% (fournisseur : Clariant, référence commerciale 6103319).
  • Un Marin 2 comprenant les composants suivants est produit dans une bétonnière :
    • sable de Fontainebleau issu de la carrière Sobelco ayant un taux d'humidité de 25%,
    • polyacrylate de potassium de granulométrie comprise entre 2 mm et 3 mm (N° CAS : 25608-12-2, fournisseur : Alquera et référence commerciale : PV-NFR1-S40D) à une concentration massique de 3%,
    • bentonite à une concentration massique de 1% (fournisseur : Clariant, référence commerciale 6103319), et
    • polyacrylate de potassium de granulométrie inférieure à 1,5 mm (fournisseur : Sigma Aldrich, référence : 435325) à une concentration massique de 0,1%.
  • Chaque marin est homogénéisé pendant 15 minutes puis un échantillon est prélevé et analysé par spectroscopie de Fluorescence X pour déterminer la part d'éléments légers et la part de silicium en pourcentage dans l'échantillon analysé.
    Le reste de chaque marin est tamisé à l'aide d'un tamis 2 mm pour séparer d'une part l'eau et le ou les polyacrylates de potassium et d'autre part le sable sec et la bentonite. Puis le sable sec et la bentonite sont tamisés à l'aide d'un tamis 125 µm pour récupérer le sable sec. Un échantillon du sable sec est ensuite analysé par spectroscopie de Fluorescence X.
  • Le Tableau 4 présente les résultats de ces analyses par spectroscopie de Fluorescence X.
  • Selon le Tableau 4, le sable sec du Marin 1 et le sable sec du Marin 2 présentent des teneurs en éléments légers et en silicium très proches de celles du sable de Fontainebleau. Ceci met donc en évidence que l'ajout de polyacrylate de potassium de granulométrie comprise entre 2 mm et 3 mm permet une bonne séparation entre le sable de Fontainebleau et les autres composants des deux marins.
  • Le Tableau 4 met également en évidence que le polyacrylate de potassium de granulométrie inférieure à 1,5 mm améliore la séparation entre le sable de Fontainebleau et les autres composants. En effet la teneur en silicium du sable sec du Marin 2 est dans la gamme de teneur en silicium du sable de Fontainebleau. De plus, la teneur en éléments légers du sable sec du Marin 2 est très proche de la teneur en éléments légers du sable de Fontainebleau. [Tableau 4]
    Echantillon analysés Eléments légers (%) silicium (%)
    Marin 1 72,4% 25,9%
    Sable sec du Marin 1 66,5% 31,3%
    Marin 2 70,6% 27,6%
    Sable sec du Marin 1 64,6% 33,2%
    Sable de Fontainebleau pur 63% - 64% 33% - 34%

Claims (15)

  1. Procédé de traitement d'un marin d'un tunnelier à pression de terre, le marin comprenant un matériau excavé et de l'eau, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
    a) mélange du marin avec un polymère super absorbant pour obtenir un marin traité, et
    b) séparation des composants du marin traité pour récupérer d'une part un matériau excavé sec et d'autre part un polymère super absorbant gonflé comprenant de l'eau,
    caractérisé en ce que
    le polymère super absorbant comprend une fonction acide carboxylique, et
    le polymère super absorbant présente une granulométrie supérieure à 1,5 mm et inférieure ou égale à 10 mm.
  2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le polymère super absorbant est choisi parmi un acide polyacrylique, un sel d'acide polyacrylique, un copolymère d'acide polyacrylique, un copolymère de polyacide D-galacturonique et de méthacrylate de méthyle et leurs mélanges.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2 dans lequel le polymère super absorbant est un sel d'acide polyacrylique choisi parmi le polyacrylate d'ammonium, le polyacrylate d'argent, le polyacrylate de calcium, le polyacrylate de césium, le polyacrylate de chrome, le polyacrylate de cuivre, le polyacrylate de fer, le polyacrylate de lithium, le polyacrylate de magnésium, le polyacrylate de manganèse, le polyacrylate de palladium, le polyacrylate de potassium, le polyacrylate de rhodium, le polyacrylate de rubidium, le polyacrylate de sodium, polyacrylate de zinc et leurs mélanges.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le matériau excavé du marin est choisi parmi du sable, de l'argile, du limon et leurs mélanges.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel, lors de l'étape a), la concentration massique en polymère super absorbant dans le marin est comprise entre 0,1% et 10%.
  6. Procédé selon l'une quelconques des revendications précédentes dans lequel l'étape a) de mélange est réalisée dans un malaxeur positionné à la sortie d'un tapis convoyeur du tunnelier à pression de terre, dans la chambre d'abattage du tunnelier à pression de terre, dans la vis d'Archimède du tunnelier à pression de terre ou leurs combinaisons.
  7. Procédé selon l'une quelconques des revendications précédentes dans lequel l'étape b) de séparation est réalisée par séparation à air, par séparation centrifuge, par séparation cyclone, par tamisage ou leurs combinaisons.
  8. Procédé selon l'une quelconques des revendications précédentes comprenant en outre les étapes suivantes :
    c) mise en contact du polymère super absorbant gonflé récupéré lors de l'étape b) avec une solution de pH acide et récupération d'une part du polymère super absorbant et d'autre part de l'eau, et
    d) recyclage dans l'étape a) de tout ou partie du polymère super absorbant récupéré à l'issu de l'étape c).
  9. Procédé selon l'une quelconques des revendications précédentes dans lequel le marin comprend en outre de la bentonite et un mélange de bentonite et du matériau excavé sec est récupéré à l'issue de l'étape b) de séparation.
  10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel le procédé comprend en outre une étape e) de séparation du mélange de bentonite et du matériau excavé sec pour récupérer d'une part un matériau excavé sec purifié et d'autre part la bentonite.
  11. Procédé selon l'une quelconques des revendications précédentes dans lequel le marin comprend en outre un polymère super absorbant présentant une granulométrie inférieure à 1,5 mm et un mélange du polymère super absorbant présentant une granulométrie inférieure à 1,5 mm et du polymère super absorbant gonflé est récupéré à l'issue de l'étape b) de séparation.
  12. Procédé selon la revendication 11 dans lequel polymère super absorbant présentant une granulométrie inférieure à 1,5 mm présente une structure chimique similaire à la structure chimique du polymère super absorbant mis en œuvre dans l'étape a) de mélange.
  13. Procédé selon la revendication 11 ou la revendication 12 dans lequel le mélange du polymère super absorbant présentant une granulométrie inférieure à 1,5 mm et du polymère super absorbant gonflé subit l'étape c) pour récupérer d'une part un mélange de polymères super absorbants et d'autre part de l'eau puis tout ou partie du mélange de polymères super absorbants récupéré subit l'étape d) de recyclage.
  14. Procédé selon la revendication 11 ou la revendication 12 comprenant en outre une étape f) de séparation du mélange du polymère super absorbant présentant une granulométrie inférieure à 1,5 mm et du polymère super absorbant gonflé pour récupérer le polymère super absorbant gonflé qui subit ensuite l'étape c).
  15. Procédé de traitement d'un marin d'un tunnelier à pression de terre comprenant un matériau excavé et de l'eau, ledit procédé comprenant une étape de mélange du marin avec un polymère super absorbant,
    caractérisé en ce que
    le polymère super absorbant comprend une fonction acide carboxylique, et
    le polymère super absorbant présente une granulométrie inférieure à 1,5 mm.
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