Généralités sur le bitume
Plusieurs définitions ont été données au bitume. Selon les spécifications européennes (norme EN 12597), le bitume est un matériau adhésif et étanche, pratiquement non volatil, dérivé du pétrole brut ou présent dans l’asphalte naturelle. Il est complètement ou presque soluble dans le toluène et a un comportement très visqueux ou solide à température ambiante (Lesueur, 2009).
Fabrication des liants bitumineux
Le bitume est obtenu essentiellement par raffinage du pétrole. Comme règle générale, plus le pétrole brut est lourd, plus il est riche en bitume (Read & Whiteoak, 2003). Le processus de distillation consiste en premier lieu à séparer les composantes légères du pétrole par distillation atmosphérique à 350 °C. En deuxième lieu, un raffinage sous vide est effectué à une température qui peut varier de 350°C à 425°C et sous des pressions situées entre 1 et 10 KPa. Le bitume est alors le résidu de cette distillation sous vide (J. G Speight & ebrary, 1999) . Généralement, les procédés de raffinage donnent lieu, selon l’origine du pétrole brut, à deux types de bitume : les bitumes mous et les bitumes durs. D’autres types intermédiaires peuvent être obtenus par mélange de ces derniers (Read & Whiteoak, 2003).
Les applications du bitume
Actuellement dans l’industrie des bitumes, 95% des quelques 100 Mt de bitume produit chaque année dans le monde sont utilisées dans la construction routière. Ils agissent comme liant pour les granulats afin de former des enrobés bitumineux (Lesueur, 2009). Les mélanges d’enrobés bitumineux sont généralement fabriqués en chauffant environ 5% en masse de bitume jusqu’à environ 160 °C afin de diminuer sa viscosité et ensuite être mélangé avec 95% en masse d’agrégats (Corté, 2004). Ce processus est appelé mélange à chaud, et les spécifications sur le bitume dans les chaussées sont principalement basées sur cette application. D’autres techniques de fabrication d’enrobés bitumineux utilisant des émulsions de bitume ou du bitume fluidifié sont également disponibles. En revanche, elles représentent moins de 5% de la production totale d’enrobés bitumineux (Lesueur, 2002).
Les propriétés physico-chimiques du bitume
La densité du bitume varie de 1,01 à 1,04 g/cm³ à température ambiante. Elle dépend principalement de l’origine du pétrole et du grade de performance. Comme règle générale, on peut dire que plus le bitume est dur, plus il est dense (Read & Whiteoak, 2003). La température de transition vitreuse Tg du bitume varie de -40°C à +5°C. Une valeur médiane typique est de l’ordre de -20°C (Turner & Branthaver, 1997). La complexité de la structure chimique du bitume réside dans la quantité de composantes chimiques qu’il contient (J. G Speight & ebrary, 1999). En effet, le bitume contient du carbone (80-88%), de l’hydrogène (8-12 %) et en quantité moindre, de l’oxygène, du soufre et des traces de métaux tels que le Vanadium et le nickel (Mortazavi & Moulthrop, 1993) . Le soufre représente l’atome polarisé le plus présent dans le liant bitumineux. Il est le plus souvent sous forme de sulfures, de thiols et en moindre degré de sulfoxyde (Lesueur, 2009).
La composition chimique
La connaissance de la composition chimique du bitume est essentielle pour cerner les rouages de la microstructure de ce dernier. Dans cette partie, il s’agit de décrire les différentes composantes du bitume à l’échelle moléculaire et de comprendre l’influence de ces derniers sur la microstructure du bitume.
La structure moléculaire
Les types de composés moléculaires dans le bitume
Le bitume est un mélange d’une grande variété d’hydrocarbures ayant une haute température d’ébullition. Ces composés peuvent être :
• types aliphatiques possédant une chaîne de carbone ouverte (ex : matières cireuses) .
• types aromatiques dont les atomes forment des structures cycliques et planes particulièrement stables (ex : asphalte soufflé) .
• type composé à la fois d’un carbone aliphatique et aromatique (Robertson et al., 1991) .
Le bitume contient aussi des hétéroatomes à savoir : le souffre, le nitrogène, l’oxygène, ainsi que des métaux tels que vanadium ou le nikel (J. G Speight & ebrary, 1999). La plupart des métaux forment des composés chimiques tels que les métalloporphyrines. Le vanadium est le métal le plus présent, jusqu’à 2 000 parties par million (ppm), et le nickel peut atteindre des concentrations jusqu’à 200 ppm. Le soufre est généralement l’atome polaire le plus fréquent. Il apparaît sous la forme de sulfures, de thiols et, dans une moindre mesure, de sulfoxydes (J. G Speight & ebrary, 1999). L’oxygène est typiquement présent sous la forme de cétones, de phénols et, dans une moindre mesure, d’acides carboxyliques (J. G Speight & ebrary, 1999) . L’azote existe typiquement dans les structures pyrroliques et pyridiniques et forme également des espèces amphotères telles que les 2 quinolones (J. G Speight & ebrary, 1999).
Il est facile de voir que des dizaines de milliers d’espèces moléculaires différentes peuvent être présentes dans le bitume considérant que chaque agencement différent des éléments constitue une molécule différente. Il est beaucoup plus efficace de faire une classification de la chimie du bitume en termes de types moléculaires.
Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Généralités sur le bitume
1.1.1 Fabrication des liants bitumineux
1.1.2 Les applications du bitume
1.1.3 Les propriétés physico-chimiques du bitume
1.2 La composition chimique
1.2.1 La structure moléculaire
1.2.1.1 Les types de composés moléculaires dans le bitume
1.2.1.2 Les effets de l’oxydation sur la structure moléculaire du bitume
1.2.1.3 Les métaux
1.2.1.4 La polarité des composés chimiques du bitume
1.2.2 Les méthodes de séparation
1.2.2.1 La fraction SARA (Saturés, aromatiques, résines et asphaltènes)
1.2.2.2 Chromatographie à échange d’ions CEI
1.2.3 Modèle de la structure colloïdale
1.2.3.1 Le modèle sol et gel
1.2.3.2 Le modèle du fluide polaire dispersé
1.2.3.3 Le modèle colloïdal moderne
1.2.4 Les principes de la modification
1.2.4.1 Modification par ajout d’acide
1.2.4.2 Modification par ajout de polymère
1.2.4.3 La compatibilité bitume polymère
1.3 Les propriétés adhésives et cohésives du bitume
1.3.1 Les théories d’adhésion
1.3.2 Les interactions bitume-granulat
1.3.2.1 L’influence des propriétés du bitume sur l’adhésion
1.3.2.2 Influence des propriétés des granulats sur l’adhésion
1.3.3 Les propriétés cohésives
1.3.3.1 La pénétrabilité
1.3.3.2 Le point de ramollissement bille et anneau
1.3.3.3 Le point de FRAASS
1.3.3.4 La viscosité absolue
1.4 Les fillers
1.4.1 Les propriétés physiques des fillers
1.4.1.1 La masse volumique
1.4.1.2 La distribution granulométrique
1.4.1.3 La forme des particules
1.4.1.4 La fraction d’empilement maximale
1.4.2 Les propriétés de surface des fillers
1.5 Les mastics
1.5.1 Généralités sur les mastics
1.5.2 Les propriétés rhéologiques des mastics bitumineux
1.5.2.1 Mécanismes de rigidification des bitumes par ajout de fillers
1.5.3 La rhéologie des suspensions
1.6 Comportement mécanique des matériaux bitumineux dans le domaine viscoélastique linéaire
1.6.1 Les domaines de comportement des matériaux bitumineux
1.6.1.1 Le bitume
1.6.1.2 Les enrobés bitumineux
1.6.2 Viscoélasticité linéaire
1.6.2.1 Définition
1.6.2.2 Expérience de retard / expérience de recouvrance
1.6.2.3 Expérience de relaxation / expérience d’effacement
1.6.2.4 Formules de Boltzmann
1.6.3 Le module complexe de Young E* et le module complexe
de cisaillement G*
1.6.4 Le principe d’équivalence temps température PETT
1.7 Modélisation de comportement viscoélastique linéaire (VEL) du mastic bitumineux
1.7.1 Élément rhéologique simple
1.7.1.1 Élément élastique linéaire : Ressort
1.7.1.2 Élément visqueux linéaire : Amortiseur
1.7.1.3 Élément à fluage parabolique de paramètre h
1.7.2 Le modèle de Huet
1.7.3 Le modèle de Huet-Sayegh
1.7.4 Le modèle 2S2P1D
1.7.5 Du liant vers l’enrobé
CHAPITRE 2 PROGRAMME EXPÉRIMENTAL
2.1 Introduction
2.2 Programme de recherche et plan de travail
2.2.1 Caractérisation des propriétés des matériaux utilisés
2.2.2 Partie 1 : Essais au rhéomètre à cisaillement annulaire (RCA)
2.2.3 Partie 2 : Essais de module complexe (MC) sur enrobés bitumineux
2.3 Résumé des plans et stratégies de travail
CHAPITRE 3 MÉTHODOLOGIE DE RECHERCHE
3.1 Le rhéomètre à cisaillement annulaire RCA
3.1.1 Principe de fonctionnement
3.1.2 Distribution des contraintes et des déformations
3.1.3 Homogénéité de l’essai
3.2 Instrumentation du RCA
3.2.1 Le rhéomètre à cisaillement annulaire
3.2.2 Presse hydraulique
3.2.3 Extensomètre
3.2.4 Enceinte thermique
3.2.5 Pilotage, acquisition et traitement des données
3.2.6 Procédure expérimentale
3.2.6.1 Préparation de l’échantillon
3.2.6.2 Montage du RCA sur la presse
3.2.6.3 Mise en température de l’éprouvette
CHAPITRE 4 GÉNÉRALITÉ ET DESCRIPTION DES MATÉRIAUX
4.1 Généralités et définitions
4.1.1 Concentration volumique des fillers Cf
4.1.2 Coefficient d’uniformité Cu
4.1.3 Nomenclature des essais
4.2 Les bitumes
4.3 Le filler de calcaire (C)
4.4 Le filler de verre post-consommation (V)
4.5 Le filler de verre micronisé Verrox (Vx)
4.6 Caractéristiques des granulats de l’enrobé ESG 10
CHAPITRE 5 PRÉSENTATION ET ANALYSE DES RÉSULTATS
5.1 Caractérisation des matériaux utilisés
5.1.1 Les essais de granulométrie
5.1.2 Essai de bleu de méthylène
5.2 Représentation graphique des résultats des essais de module complexe
5.2.1 Déroulement de l’essai
5.2.2 Essai à vide
5.2.3 Équivalence température-fréquence
5.2.4 Répétabilité de l’essai
5.2.5 Critère de qualité des signaux
5.2.5.1 Distorsion
5.2.5.2 Contrainte de cisaillement
5.2.6 Coefficient de renforcement complexe
5.2.6.1 Sensibilité thermique du RM
5.2.6.2 Sensibilité cinétique du RM
5.2.7 Domaine de linéarité
5.3 Propriétés rhéologiques des bitumes
5.3.1 Principe d’équivalence temps température (PETT)
5.3.2 Comparaison entre le PG 70-28 et le PG 58-28
5.4 Propriétés rhéologiques des mastics bitumineux
5.4.1 Équivalence temps température
5.4.2 Influence de la taille des fillers
5.4.2.1 Description des résultats
5.4.2.2 Analyse des résultats
5.4.3 Influence de la nature des fines
5.4.3.1 Description des résultats
5.4.3.2 Analyse des résultats
5.4.4 Influence de la courbe granulométrique
5.4.4.1 Description des résultats
5.4.4.2 Analyse des résultats
5.4.5 Compatibilité filler-bitume
5.4.5.1 Description des résultats
5.4.5.2 Analyse des résultats
5.4.6 Comparaison Calcaire-Verre
5.4.7 Utilisation de la chaux
5.4.7.1 Description des résultats
5.4.7.2 Analyse des résultats
5.5 Propriétés rhéologiques des enrobés bitumineux
5.5.1 Formulation de l’ESG 10
5.5.2 La densité maximale dmm
5.5.3 L’aptitude au compactage (PCG)
5.5.4 Essai de module complexe E*
5.5.5 Module complexe des enrobés
CHAPITRE 6 MODÉLISATION DU COMPORTEMENT DES MATÉRIAUX BITUMINEUX DANS LE DOMAINE VISCOÉLASTIQUE LINÉAIRE
6.1 Présentation du modèle 2S2P1D
6.2 Calibration du modèle 2S2P1D
6.3 Modélisation du comportement VEL des bitumes
6.4 Modélisation du comportement VEL des mastics bitumineux
6.5 Modélisation du comportement rhéologique des enrobés bitumineux
CONCLUSION
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