Soutenance mémoire
Un enrobé bitumineux est un mélange composé de granulats et d’un liant hydrocarboné, le bitume. C’est le matériau le plus employé pour la construction des chaussées. La durée de vie visée est de vingt ans minimum. La formulation de ces matériaux est donc importante et nécessite différentes étapes. La sélection du bitume et des granulats permet de mettre au point la formule en laboratoire. La qualité et la durabilité du matériau sont évaluées par différents essais normalisés. Lors de l’étape de fabrication par malaxage, le bitume s’étale à la surface du granulat, c’est le phénomène mouillage. Durant cette étape, le bitume interagit avec la surface du granulat menant à des liaisons adhésives entre les deux matériaux. Différents mécanismes d’adhésion de nature mécanique et chimique peuvent expliquer les interactions et les liaisons qui s’établissent entre les constituants au très jeune âge [Hefer, 2005][Caro, 2008].
Après installation, les performances des matériaux routiersse dégradent dans le temps sous l’effet des sollicitations mécaniques et climatiques. Parmi les facteurs influents, l’eau apparait comme l’un des éléments de premier ordre conduisant à une perte progressive des liaisons entre le bitume et le granulat. Comme précédemment, plusieurs mécanismes permettent d’illustrer l’action de l’eau sur le matériau [Caro, 2008][Kiggundu, 1988][Castaneda, 2007]. Il est donc important de prendre en compte ce phénomène de dégradation lors de l’étape préliminaire de formulation des matériaux en laboratoire.
Les enrobés bitumineux
Constituants du matériau
Le bitume
Composition chimique du bitume
Le bitume est un mélange d’hydrocarbures. Il est issu des fractions lourdes obtenues suite à la distillation fractionnée du pétrole brut. L’appellation « liant hydrocarboné » regroupe toutes les substances essentiellement constituées d’atomes de carbone et d’hydrogène. Le bitume est un mélange complexe dont il est difficile de déterminer de manière exacte la composition. Cependant, les composants du bitume peuvent être divisés en deux familles : les maltènes et les asphaltènes [Chambard, 2004 [Karlsen, 1991].
La proportion de chaque famille chimique présentée précédemment dépend d’abord de l’origine du brut de bitume mais également de son mode de fabrication. Chaque famille a ses propres caractéristiques [Chambard, 2004][Bissada, 2016][Lesueur, 2009] :
– Les composés dits Saturésreprésentent 5 à 20% des composants du bitume. Ils sont constitués principalement par des hydrocarbures aliphatiques, à chaînes droites ou ramifiées, portant éventuellement des cycles aromatiques. Ce sont des composés non polaires. Cette fraction du bitume contient également des éléments cristallisables. La consistance varie de l’état liquide incolore ou jaunâtre à un état pâteux.
– Les composés dits Aromatiques représentent 40 à 65% du bitume. Comme leur nom l’indique, ils sont principalement constitués d’hydrocarbures cycliques. Près d’un tiers des atomes de carbone est inclus dans un noyau aromatique qui peut être lui-même associé à un cycle naphténique ou des chaînes linéaires. Ce sont des huiles visqueuses non polaires.
– Les Résines représentent 13 à 25 % des composants du bitume. Les molécules sont souvent constituées de plusieurs cycles aromatiques condensés, qui peuvent être porteurs d’hétéroatomes tels que l’oxygène et l’azote ce qui leur donne la particularité d’être polaires. Les résines ont donc des propriétés d’adhésivité très fortes. Cependant, elles sont instables à la lumière et à l’air et s’oxydent donc souvent pour former des asphaltènes.
– Les Asphaltènes représentent 5 à 25% du bitume total. Ce sont des composés très polaires et de masse moléculaire plus importante que les maltènes, ce qui les rend insolubles dans le nheptane. Les asphaltènes sont constitués de nombreux cycles avec un rapport molaire C/H proche de 1, caractéristique des cycles aromatiques condensés. La présence d’hétéroatomes tel que l’oxygène, le soufre et l’azote est non négligeable et on note également des traces de métaux comme le nickel, le vanadium, le fer ou encore le sodium.
Petersen a identifié les principaux groupes fonctionnels du bitume grâce à la spectrométrie infrarouge différentielle. Il a pu mettre en valeur la présence d’aromatiques polycycliques et phéniliques, de sulfide, de sulfoxydes, d’acides carboxyliques et de cétones [Petersen, 1975].
Structure colloïdale du bitume
La structure des bitumes est généralement présentée sous la forme d’un système colloïdal où des agglomérats d’asphaltènes forment la phase dispersée et les maltènes la phase continue [Shell, 1995][Lesueur, 2009]. Les résines peptisent les agglomérats d’asphaltènes ce qui permet de stabiliser la suspension [Loeber, 1998]. Pfeiffer et Saal présentent le bitume comme une suspension d’agrégats d’asphaltènes dispersée dans une phase malténique. En effet, les micelles d’asphaltènes sont très polaires et donc insolubles dans les huiles saturées. Les résines forment une couche de solvatation qui stabilise la suspension [Pfeiffer, 1939 [Lesueur, 2009]. Yen présente un autre modèle d’organisation moléculaire, semblable au graphite de carbone où les asphaltènes sont plutôt présentés comme un empilement de structures aromatiques polycondensées plus ou moins planes [Yen, 1994]. L’agrégat élémentaire n’est donc plus une micelle mais plutôt un empilement de 5 à 6 feuillets. La cohésion du système est rendue possible grâce à la délocalisation des électrons π des motifs aromatiques. Le modèle est ensuite modifié par Mullins pour corriger les limites notamment concernant la masse moléculaire des asphaltènes [Mullins, 2012].
Formulation de l’enrobé bitumineux
La construction d’une chaussée bitumineuse passe d’abord par le choix des matériaux et la formulation du mélange. La formule et les proportions de chaque matériau dépendent de la fonction et de la localisation de la couche dans la chaussée .
Les mélanges qui composent ces couches sont différents. Leur formulation prend en compte la nature et les proportions de leurs composants, la teneur en vide, les performances mécaniques. Les matériaux utilisés dans ce travail visent à être utilisés en couche de roulement ou d’assise.
Différents procédés technologiques existent pour fabriquer les enrobés :
– L’enrobage anhydre (entre 140 et 180°C) et à tiède (entre 110 et 150 °C).
– L’enrobage à froid, principalement à l’émulsion de bitume.
Les différentes techniques d’enrobage sont décrites plus en détail dans l’Annexe I-2. En général, quelle que soit la méthode utilisée, le liant doit avoir une viscosité proche de 0.2 Pa.s (Poise) [Chambard, 2004]. La fabrication des mélanges est réalisée dans des usines d’enrobage. La Figure I-6 montre le schéma classique d’une usine d’enrobage anhydre ou à tiède.
La construction ou l’entretien d’une chaussée nécessite une étude préalable en laboratoire afin de s’assurer de la qualité et de la durabilité du matériau qui compose l’une de ses couches. Les différentes étapes de la méthode de formulation française sont décrites dans l’Annexe I-3. Celles-ci intègrent l’évaluation de la sensibilité à l’eau des mélanges. Historiquement, la France recommande l’essai Duriez pour évaluer l’impact de l’eau sur les matériaux routiers [NF EN 12697-12, 2008]. Aux USA cette évaluation n’est pas systématique. Seules 78% des agences testent leur matériau vis-à-vis de la tenue à l’eau. Dans ce cas, plus de 80% d’entre elles utilisent la résistance en traction indirecte selon la norme AASHTO T283-07 [Committee, 2003][AASHTO T283-07, 2007]. Pour ce qui est de la Finlande, les industriels utilisent également majoritairement des essais de traction indirecte, cependant les conditions d’immersion diffèrent des Etats-Unis [Vuorinen, 2001].
|
Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
1 . Introduction
2 . Les enrobés bitumineux
2.1 Constituants du matériau
2.1.1 Le bitume
2.1.1.1 Composition chimique du bitume
2.1.1.2 Structure colloïdale du bitume
2.1.1.3 Propriétés physico-chimiques du bitume
2.1.2 Les granulats
2.1.2.1 Généralités
2.1.2.2 Caractéristiques des granulats
2.2 Formulation de l’enrobé bitumineux
3 . Approche rationnelle des interactions bitume/granulat seul ou en présence d’eau
3.1 Le mouillage
3.2 Mécanismes d’adhésion
3.2.1 Théorie mécanique
3.2.2 Théorie chimique
3.2.3 Théorie électrostatique
3.2.4 Théorie thermodynamique
3.2.4.1 Energie de surface d’un matériau
3.2.4.2 Tension interfaciale entre deux matériaux
3.2.4.3 Travail d’adhésion
3.2.4.4 Coefficient d’étalement
3.2.4.5 Tension superficielle critique
3.3 Mécanismes de dégradation du matériau par action de l’eau
3.3.1 Dégradation à l’interface bitume/granulat
3.3.1.1 Dégradation par détachement
3.3.1.2 Dégradation par déplacement
3.3.1.3 Pression interstitielle
3.3.1.4 Décapage hydraulique
3.3.2 Dégradation de la cohésion du bitume
3.3.3 Dégradation de la cohésion du granulat
3.4 Application des approches théoriques à l’étude de la tenue à l’eau des enrobés bitumineux
3.4.1 Prévision de la dégradation des matériaux
3.4.2 Etude de la cinétique
3.4.2.1 Démouillage visqueux
3.4.2.2 Démouillage visqueux élastique
4 . Tenue à l’eau des enrobés
4.1 Facteurs qui influencent l’effet de l’eau sur les mélanges bitumineux
4.1.1 Facteurs liés à la formulation
4.1.1.1 Propriétés du granulat qui influencent l’action de l’eau sur les mélanges
4.1.1.2 Propriétés du bitume qui influencent l’action de l’eau sur les mélanges
4.1.1.3 Propriétés du mélange
4.1.2 Facteurs liés à la mise en œuvre
4.1.3 Optimisation de la tenue à l’eau
4.1.3.1 Optimisation du procédé
4.1.3.2 Ajout de dopes
4.2 Essais de tenue à l’eau
4.2.1 Essais sur matériaux foisonnés
4.2.1.1 Description des essais
4.2.1.2 Limites des essais
4.2.2 Essais sur matériaux compactés
4.2.2.1 Description des essais
4.2.2.2 Limites des essais
5 . Bilan de la synthèse bibliographique
CHAPITRE II CARACTERISATION DES MATERIAUX
1 . Introduction
2 . Présentation des matériaux de l’étude
3 . Caractérisations physico-chimiques des bitumes
3.1 Caractérisation chimique
3.1.1 Fractions SARA
3.1.2 Spectroscopie infrarouge
3.2 Caractérisation rhéologique
4 . Caractérisations des substrats minéraux
4.1 Caractérisation minéralogique
4.1.1 Caractérisation colorimétrique
4.1.2 Observation des lames minces
4.1.3 Analyse micro fluorescence X
4.2 Caractérisation mécanique
4.3 Caractérisation de surface
4.3.1 Energie de surface
4.3.2 Evaluation de la texture
4.4 Comportement des granulats en présence d’eau
4.4.1 Essai 1 : Observation de la surface et de la composition des granulats après immersion
4.4.2 Essai 2 : Evolution du pH et de la conductivité en immersion sans agitation
4.4.3 Essai 3 : Analyse du lixiviat après immersion avec agitation
4.4.4 Essai 4 : Evolution de l’usure des matériaux par l’eau
5 . Tenue à l’eau des mélanges
5.1 Composition des formules pour les mélanges compactés
5.2 Tenue à l’eau des essais normalisés actuels
6 . Bilan sur la caractérisation des matériaux
CHAPITRE III ETUDE DU DEMOUILLAGE D’UNE GOUTTE DE BITUME SUR GRANULATS POLIS
1 . Introduction
2 . Description du dispositif expérimental d’étude du démouillage d’une goutte de bitume sur un substrat
2.1 Préparation des échantillons
2.1.1 Imprégnation et polissage
2.1.2 Dépôt des gouttes
2.1.3 Immersion
2.2 Méthode de traitement d’images
2.3 Exploitation des données
2.4 Optimisation des conditions expérimentales de la méthode sur des lames de verre
2.4.1 Influence du volume de la goutte de bitume
2.4.2 Répétabilité
2.5 Bilan
3 . Influence des paramètres d’essai sur le démouillage
3.1 Influence de la température du granulat lors de la phase de dépôt
3.1.1 Influence de la température du granulat sur le mouillage
3.1.2 Influence de la température du granulat sur le démouillage
3.2 Influence de la température de l’eau lors de la phase d’immersion sur le démouillage
3.3 Bilan
4 . Influence de la nature des constituants sur le démouillage
4.1 Influence de la nature des granulats
4.1.1 Influence de la minéralogie
4.1.2 Interprétation à partir de l’observation de la forme des gouttes
4.1.2.1 Cas des Calcaires et du Quartzite
4.1.2.2 Cas de la Diorite
4.2 Influence de la nature du bitume
4.2.1 Influence du degré d’oxydation du bitume
4.2.2 Grade du bitume
4.2.2.1 Effet de la viscosité du bitume
4.2.2.2 Effet de la chimie du bitume
4.3 Bilan
5 . Bilan de l’étude du système modèle
CONCLUSION GENERALE
