Contribution a l’étude de l’amélioration du comportement rhéologique de l’huile lourde

LES BITUMES

Définition

Les bitumes sont des produits hydrocarbonés issus des huiles de roches, de couleur noire, visqueux et presque solides à la température ambiante. Ce sont des mélanges complexes d’hydrocarbures de poids moléculaires élevés constitués majoritairement de carbone, d’hydrogène et de quelques hétéroatomes en faible proportion tels que le soufre, l’oxygène, l’azote et en moindre quantité, de métaux lourds. Ayant des propriétés adhésives et imperméables à l’eau, ils s’utilisent dans divers domaines comme les chaussées, les étanchéités et surtout les constructions routières.

Origine

Généralement, les bitumes sont des extraits lourds de bruts pétroliers, obtenus par la distillation fractionnée directe de ce dernier dans les industries de raffinerie pétrolière. Ils proviennent aussi de l’évaporation naturelle directe de brut au niveau de la roche réservoir à la surface terrestre que l’on appelle bitume naturel, comme ceux de Trinidad. Certaines roches, telles que les calcaires asphaltites sont des roches poreuses imprégnées d’une certaine quantité de bitume naturel. La plupart de ces calcaires asphaltites contiennent moins de 10% en poids de bitume [9].

Procédés de fabrication

Les bitumes étant largement utilisés dans de nombreux domaines, de nombreuses études et recherches étaient menées pour améliorer et optimiser leurs productions.
Voici quelques procédés de production des bitumes fréquemment utilisés:
Distillation C’est un procédé physique de séparation des constituants du pétrole basé sur la différence de leur point d’ébullition. Les produits volatils sont recueillis sous forme vapeur, puis condensés. Les produits lourds constituant le résidu, sont soutirés du fond de la colonne de distillation. La méthode la plus simple consiste à distiller sous pression atmosphérique, mais, en fonction de la base à traiter, ceci peut nécessiter de hautes températures pouvant occasionner de dégradations des produits par surchauffe.
La distillation à pression atmosphérique n’est utilisée que pour retirer les produits légers (essence, kérosène, gasoil).Pour éviter la dégradation du résidu par surchauffe on a recours à la distillation sous vide. Cette opération est nécessaire pour obtenir des produits lourds sans être amené à chauffer démesurément, ce qui pourrait dégrader les produits par craquage. A cet effet on ne dépasse pas 400 °C à la sortie du four. Le vide est généralement assuré par un système d’injecteurs.
Pour obtenir des bitumes, on commence par distiller sous pression atmosphérique le brut choisi. Le fond de la colonne est alors envoyé à la distillation sous vide, laquelle est menée jusqu’à obtention des pénétrations désirées. Plus on distille, plus le bitume obtenu est dur et plus sa pénétrabilité est faible.

Extraction Une quantité importante de bitume provient du procédé de désasphaltage de l’huile lubrifiante. Ce procédé a recours à un solvant pour extraire les asphaltènes des huiles de base. Le résidu de la distillation sous vide > 500°C, subit un désasphaltage en vue d’obtenir une huile lubrifiante résiduelle (bright stock) et des asphaltènes (constituants de bitumes). Les solvants utilisés dans ce procédé sont non polaires et possèdent un poids moléculaire bas, comme le propane et le butane. Au cours de ces opérations qui s’effectuent à des températures modérées, il n’y a pas de formation d’asphaltènes; de plus la sélectivité du solvant est telle que le bitume contient beaucoup d’aromatiques à haut poids moléculaire. Ceci peut conduire à augmenter la susceptibilité à la température.

Craquage Quand on soumet les hydrocarbures à de hautes températures, certaines grosses molécules craquent pour former des molécules plus petites, tandis que les plus stables résistent au traitement. Si on traite des fonds de colonne sous vide à des températures comprises entre 450 et 500°C et à des pressions allant de 2 à 25 bars, on obtient comme produit lourd un résidu de conversion qui après distillation sous vide donne des bitumes très durs. Ces derniers sont essentiellement utilisés pour I‘agglomération des fines de houille pour la fabrication des briquettes de charbon pour foyers domestiques.

Soufflage Cette opération consiste à injecter de I ‘air dans une base bitumineuse portée à des températures comprises entre 250 et 300 °C. L’oxygène de l’air consommé au cours de cette opération s’introduit sous forme de vapeur d’eau, et est relativement peu fixé dans le bitume. Il sert essentiellement, par arrachement d’hydrogène aux molécules, à les polymériser. Le résultat est un durcissement accompagné d’une diminution de la susceptibilité à la température.
Il existe deux types de soufflage :
 le semi-soufflage. Il s’agit du traitement de bitume trop mou issu de fond de colonne de distillation, afin d’obtenir un bitume routier.  le soufflage d’une base plus complexe afin d’obtenir des bitumes de faible susceptibilité thermique.

Composition et structure chimique

Comme tous les dérivés lourds des bruts, les bitumes sont formés par de mélange de familles de composés chimiques très complexes dont les compositions sont quasiment impossibles à déterminer et identifier. Ils contiennent en moyenne 80 à 85% de carbone, 10 à 15% d’hydrogène, 2 à 3% d’oxygène et en moindres quantités, du soufre, et de l’azote, ainsi que divers métaux (Fer, Vanadium, Nickel, Aluminium, Silicium) à l’état de traces..
Ils sont aussi constitués par les maltènes et les Asphaltènes.
Rappelons que les maltènes regroupent trois familles des composés hydrocarbonés : les saturés ; les aromatiques et les résines. Ces dernières sont des éléments de transition entre les huiles et les asphaltènes.
Les Asphaltènes ne différent des « résines » que par leur insolubilité dans un hydrocarbure donné. Ils sont plus riches en soufre, azote et oxygène. Leur masse moléculaire constitue 10 à 30% du mélange [11] mais dépend de la nature et de l’origine du bitume et aussi, de la méthode de séparation des asphaltènes.Ce sont des molécules de poids moléculaires élevés. L’édification de leur structure chimique peut être comparée à la formation de polymères, avec des degrés de polymérisation moyens en nombre inférieur à 10 [12]. En effet, les auteurs s’entendent pour dire que les asphaltènes sont constitués de I‘association ou même de l’addition de divers éléments structuraux qui peuvent être différenciés par leur squelette carboné. La multitude de combinaisons envisageables entre ces éléments explique la grande complexité des molécules obtenues. Des études comparatives entre asphaltènes et résines ont permis de montrer que le rapport des masses moléculaires entre ces deux familles pourrait aller de 4 à 7.

– Propriétés rhéologiques

Du fait de leurs compositions très complexes, les bitumes constituent des colloïdes micellaires et possèdent des propriétés très particulières qui influencent leurs comportements rhéologiques. Chaque famille intervient à ces propriétés pour leur conférer la structure colloïdale. Le bitume est alors décrit comme un système dans lequel les micelles et les agglomérats d’asphaltènes peptisent dans la phase des maltènes. En effet, les résines viennent s’adsorber sur les asphaltènes et permettent leur dispersion dans le mélange : aromatiques-saturés [14]. Selon Yen [15],les molécules d’asphaltènes se regroupent pour former des micelles ou des entités encore plus grandes: les agglomérats (paquets de micelles).
Les maltènes forment essentiellement la partie huileuse de bitumes sorte de phase continue dans laquelle sont dispersés les asphaltènes. Ils sont insolubles dans l’eau et pratiquement insensibles face aux agents chimiques.
• La famille des saturés qui fait partie des maltènes est presque soluble dans tous les solvants organiques et a un rôle floculant.
• Les aromatiques jouent le rôle de solvant dans la solution colloïdale.
• Les résines ont un rôle essentiel vis-à-vis la stabilité colloïdale du bitume. Elles ont un rôle tensioactif qui permet de stabiliser la dispersion d´asphaltènes dans la matrice maltènes
Les asphaltènes jouent un rôle important et fondamental dans la détermination des propriétés mécaniques et rhéologiques des bitumes : leur quantité et leur nature ont une influence importante sur les propriétés thermiques (telles que la susceptibilité thermique) ou le phénomène de transition Sol-Gel des bitumes
Trois types fondamentaux de structure d’un bitume, en fonction de leur teneur relative en divers composants, ont été définis par Kolbanovskaja : Gel, Sol, Sol-Gel [18]. Ces trois types de structure, en fonction de la composition et indépendamment de l’origine et des procédés de fabrication des bitumes sont représentés dans le tableau 2.