Amélioration de la technique d'injection de résine dans les fissures des tunnels en béton pour étanchéisation

El Mekari, Khalil (2024). Amélioration de la technique d'injection de résine dans les fissures des tunnels en béton pour étanchéisation. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’injection de résine dans les fissures des tunnels en béton est une technique utilisée afin de colmater les fissures et ralentir ou prévenir les infiltrations d’eau. Cette technique consiste à injecter dans la fissure à l’aide d’une pompe un polymère liquide tel que le polyuréthane, l’époxy ou l’acrylique.

Présentement, le professionnel effectuant une injection n’a aucun moyen d’établir un protocole d’injection assurant le colmatage complet et de manière permanente de la fissure. La méthode utilisée pour l’imperméabilisation des fissures est souvent donc basée sur l’expérience de la personne qui réalise l’injection et est effectuée de manière artisanale. Cette thèse avait pour but de développer des méthodes pour caractériser l’ouverture des fissures et de déterminer les paramètres d’injection en se basant sur les caractéristiques hydrauliques des fissures afin de réaliser une injection. Tout d’abord, il a été nécessaire de développer une série de méthodes pour déterminer l’ouverture des fissures. Ensuite, l’influence des paramètres d’injection et des propriétés de la fissure sur la propagation de la résine a été définie. Finalement, une méthode a dû être développée pour relier les paramètres d’injection aux propriétés hydrauliques de la fissure.

En premier lieu, des modèles physiques visant à reproduire une fissure de béton ont été conçus en laboratoire. Des injections de mélange eau-glycérol ont été effectuées pour étudier l’écoulement lorsque les paramètres d’injection varient. Les résultats montrent que la viscosité dynamique a un impact immédiat sur l’écoulement lorsque la fissure est sèche. Dans le cas d’une fissure humide, l’écoulement est irrégulier et l’impact de la viscosité dynamique est moins important. Les conditions aux frontières et le niveau de saturation initiale (sèche ou humide) influent sur la durée d’injection nécessaire pour atteindre la saturation de la fissure. À l’aide de capteurs de pression placés à différents endroits dans la fissure, il a été possible d’établir le moment où la saturation a été atteinte. Une importante perte de charge a été notée lors des injections entre la sortie de la pompe et l’entrée du liquide dans les modèles. La pression à la sortie de la pompe était supérieure à la pression d’injection à l’entrée des modèles. Cette perte de charge dépend en grande partie du diamètre de tuyau d’injection. Un modèle numérique conçu avec le logiciel COMSOL multiphysics a permis de valider les résultats obtenus avec les modèles physiques et simuler les conséquences de l’ouverture et de la rugosité de la fissure sur la pression d’injection. Les résultats des simulations ont montré que l’ouverture de la fissure a des conséquences beaucoup plus importantes sur la pression d’injection que la rugosité.

En second lieu, un essai de caractérisation hydraulique in-situ a été conçu et réalisé afin d’établir les différents paramètres requis pour injecter adéquatement un joint de construction présent sur un site expérimental. À l’aide de capteurs de pression, il a été possible de déterminer l’ouverture hydraulique et la conductivité hydraulique de la section étudiée avec des injections de mélanges eau-glycérol. Ces propriétés ont permis d’obtenir le volume et la durée d’injection nécessaire afin de colmater la fissure lors de l’injection de résine. Une injection de résine basée sur les résultats de l’essai in-situ a été effectuée. Un échantillon prélevé après l’injection de résine a permis d’observer le colmatage de la section étudiée et d’obtenir l’ouverture mécanique du joint ainsi que sa distribution dans l’espace à l’aide d’une microtomographie aux rayons X (CT scan).

En dernier lieu, le modèle numérique développé avec COMSOL multiphysics a été amélioré en implémentant plusieurs types d’ouverture et une viscosité qui varie dans le temps. Trois types d’ouverture ont été utilisés : une ouverture gaussienne avec corrélation spatiale, une ouverture gaussienne sans corrélation spatiale et une ouverture constante. Seulement l’ouverture gaussienne avec corrélation spatiale a pu reproduire l’anisotropie de la propagation de la résine lors de l’injection. Les simulations ont été répétées plusieurs fois pour obtenir le profil moyen de la pression d’injection des trois types d’ouverture. Bien que la pression d’injection moyenne des répétitions soit identique pour les trois types d’ouverture, une variation importante des pressions d’injection maximale et minimale a été observée pour l’ouverture avec corrélation spatiale. Cette variation est due à la distribution de l’ouverture autour du point d’injection. Une viscosité variable selon le temps a été implémentée pour établir les conséquences lors d’une injection de résine dont la polymérisation a débuté. Les résultats ont montré une augmentation significative de la pression d’injection et des pertes de charge lors de l’écoulement ainsi qu’une diminution importante de la propagation de la résine lorsqu’une injection a lieu après le début de la polymérisation.

Pour conclure, cette thèse a permis d’établir les fondements de l’écoulement d’une résine dans une fissure béton lors d’une injection. L’ouverture, la viscosité dynamique, l’équipement utilisé, les conditions aux frontières ainsi que l’état initial de saturation influent sur la distribution de la pression dans le temps, les pertes de charges et la propagation de la résine dans la fissure. Ces éléments doivent être pris en compte lors du développement d’un protocole d’injection afin d’obtenir un colmatage complet de la fissure.

Les travaux effectués ont permis de soumettre trois articles de journaux qui ont été révisés par des pairs ainsi que trois articles présentés lors de diverses conférences. Cette thèse contient les trois articles de journaux ainsi qu’un article de conférence.

Titre traduit

Improvement of the chemical grout injection method in concrete fractures in tunnels for waterproofing

Résumé traduit

The chemical grout injection method is performed in concrete fractures in tunnels for waterproofing. Liquid polymers such as polyurethane, epoxy or acrylic are injected in the fracture with a pump.

Presently, the professional performing an injection has no guidelines or standard procedure to develop an injection protocol that ensure an adequate and permanent sealing of the fracture. Therefore, the success of this method relies on the professional experience. This thesis aimed to define the injection parameters from studying the hydraulic characteristics of a fracture in concrete fracture during injections. This main objective can be divided in three subobjectives. Initially, it was necessary to develop multiple methods to establish the different apertures of a concrete fracture. Secondly, the influence of the injection parameters and the fracture properties on the resin propagation were defined. Thirdly, a method was developed to establish the injection parameters from the fracture hydraulic properties.

The first step was to study the flow when injections were performed in concrete physical models. Water-glycerol mixtures were injected by varying the injection parameters. The results showed that the dynamic viscosity had an important influence on the liquid propagation for dry fractures. For moist fractures, the liquid propagation was irregular and partially guided by the dynamic viscosity. The boundary conditions and the initial fracture saturation level (dry or moist) influenced the duration needed to reach fracture saturation. With pressure gauges installed in the fracture, it was possible to establish the duration needed to reach fracture saturation. Important head loss was noted the pump outlet and the injection point in the model. It would have been an error to assume that the entry pressure in the model is the same as the pump outlet pressure. The head loss between both point is influenced by the tubing diameter. A numerical model was developed with COMSOL Multiphysics software to validate the results obtained with the physical models and establish the effect of the aperture and roughness on the injection pressure. The results showed that the aperture has a higher effect on the injection pressure than the roughness.

The second step was to enhance the numerical model built on COMSOL Multiphysics with the implementation of multiple types of fracture aperture and a time-dependent dynamic viscosity. Three types of apertures were used: Gaussian spatially correlated aperture, Gaussian nonspatially correlated aperture and a constant aperture. Gaussian spatially correlated aperture was able to simulate the propagation anisotropy. Multiple reproductions of the simulations were performed to obtain the average injection pressure for all the aperture types. Despite the fact the average pressure was the same for all the aperture type, an important variation was observed between the highest and lowest injection pressure for the Gaussian spatially correlated aperture. This variation can be explained by the aperture distribution around the injection point. A time-dependent dynamic viscosity was implemented to establish its effect on the grout flow when the polymerization began. When the liquid polymerization was considered, the results showed a significant increase of the injection pressure and the head loss during flow fracture while the liquid propagation decreased.

The last step was to conceive and realise an in-situ test for the hydraulic characterization of a concrete fracture and established the parameters to effectively perform a chemical grout injection in a construction joint of an experimental site. With pressure gauges installed in the joint and water-glycerol mixtures, it was possible to establish the hydraulic aperture and hydraulic conductivity of the studied fracture area of the joint. The injection volume and duration needed to seal the studied fracture area with chemical grout were determined from the in-situ test. A chemical grout injection was performed based on the in-situ test results. Core sampling was performed to validate the full propagation of the grout in the studied fracture area and establish the mechanical aperture and its distribution in space with X-ray microtomography (CT scan).

To conclude, this thesis allowed to define the components of the injection protocol that influence the resin flow in a concrete fracture. The dynamic viscosity, the fracture aperture, the injection equipment, the boundary conditions, and the initial saturation state influenced the pressure distribution in time, the head loss, and the resin propagation. Those components need to be considered when an injection protocol is developed to ensure a fully sealed fracture.

A total of three journal papers with pairs revision and three conference papers has been produced. This thesis contains the journal papers and one conference paper.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 221-235).
Mots-clés libres:	injection de résine, imperméabilisation de tunnel, écoulement en milieu poreux fissuré, essai in-situ, méthode des éléments finis, COMSOL
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Duhaime, François
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	24 juill. 2024 14:03
Dernière modification:	24 juill. 2024 14:03
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3474

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