Les essais d’identifications des émulsions

INTRODUCTION GENERALE

  Les routes constituent un facteur de développement économique et social dans notre pays. Vu le coût du transport aérien, l’insuffisance du développement des voies fluviales et des voies ferrés, la route occupera toujours des multiples fonctions.Elle permet le désenclavement d’un village, l’exportation des produits agricoles, des produits miniers et forestiers. Elle aura aussi sa propre vocation : touristique, administrative, liaison industrielle, etc.Le problème qui se pose aujourd’hui dans le domaine routier est que les matériaux de construction routière s’épuisent petit à petit ou qu’ils présentent des qualités très médiocres du point de vue géotechnique. Cette situation nous amène à la recherche de nouveaux produits permettant de stabiliser les sols en place ou les remblais.L’objectif de cette étude est d’envisager une nouvelle technique d’amélioration des routes. En effet, dans le contexte économique actuel de Madagascar, beaucoup de routes ne sont pas recouvertes, la plupart des pistes constituant la majeure partie du réseau routier sont souvent inaccessibles surtout pendant la saison de pluie. Pour améliorer cette situation, on nous a proposé d’étudier une solution technique de stabilisation des routes à l’émulsion de bitume.Pour mener à terme ce mémoire, la première partie concerne les généralités sur les émulsions de bitume et sur les sols. La deuxième partie se consacre sur la phase d’expérimentation c’est-à-dire l’étude de faisabilité au laboratoire afin de vérifier l’adaptation des sols au traitement. Enfin, la troisième partie développe le déroulement de la réalisation de la planche d’essai pour vérifier le comportement de la stabilisation des routes sous trafic.

Classification des émulsions

Les émulsions de bitume sont caractérisées par :
– leur nature ionique : anionique ou cationique;
– leur stabilité vis à vis des granulats : émulsions à rupture rapide, semi rapide, lente et sur-stabilisées;
– la teneur en poids de liants de base : bitume.
Il existe deux grandes classes des émulsions de bitume :
– les émulsions anioniques
L’émulsifiant polarise négativement les globules de bitume.
L’émulsifiant utilisé est alcalin dont on peut d’une façon générale, représenter la structure par la formule (R-COO)–(Na)+, ici le radical R est un acide gras. Cette chaine présente une affinité pour le bitume, ce qui permet la fixation des radicaux électronégatifs (R-COO)– sur les particules. Une émulsion anionique de bitume est une dispersion très fine de bitume de pétrole dans de l’eau, additionnée d’un émulsifiant anionique. Elle a un pH>10.Ces émulsions basiques adhèrent bien aux pierres électropositives comme les calcaires et les basaltes.

– les émulsions cationiques
Les émulsifiants utilisés sont généralement des sels d’aminés de types (R-NH3)+(Cl)– , ils confèrent aux bitumes une charge électrique positive. Une émulsion cationique de bitume est une dispersion très fine de bitume de pétrole dans de l’eau additionnée d’un émulsifiant cationique. Elle a un pH<4. Ces émulsions acides adhèrent bien à presque tous les types de pierres .
Dans une émulsion, on distingue deux phases :
– la phase dispersée (phase globulaire ou phase liant qui est un mélange de bitume et de fluxant) ;
– la phase dispersante (phase continue ou phase aqueuse qui est un mélange d’eau, d’acide et d’émulsifiant).

Rupture et murissement d’une émulsion de bitume 

  Lorsqu’on répand une émulsion, celle-ci passe par différentes étapes d’évolution qui mènent au final au mûrissement de cette dernière, à la cohésivité du liant et à l’adhésion souhaitée. Ces étapes comprennent :
– les étapes dites de déstabilisation (agglomération, floculation et coalescence) Durant celles-ci, les gouttelettes s’agglomèrent et se fondent les unes dans les autres.
– l’étape de rupture Elle désigne l’ensemble des phénomènes conduisant à la formation d’une phase bitumineuse continue. Il y a rupture d’une émulsion lorsque la phase dispersée se sépare de la phase dispersante. Elle est provoquée soit par évaporation de la phase dispersante, soit par adhésion des particules de bitume avec les granulats.
Les émulsions anioniques rompent mieux avec les matériaux basiques.
Les émulsions cationiques rompent avec les matériaux basiques ou acides, c’est pour cette raison qu’elles sont les plus utilisées actuellement.
– l’étape de mûrissement Le mûrissement désigne l’ensemble des phénomènes conduisant à l’évacuation de l’eau et à l’état où le liant atteint ses propriétés finales d’adhésivité et de cohésivité. Cette étape ne peut se réaliser que lorsque la rupture est suffisamment engagée.D’un point de vue plus pratique, lorsque le mûrissement est achevé, on ressent une sensation collante quand on appuie le doigt sur la couche de collage sans que le bitume ne reste adhéré sur le doigt après avoir appliqué cette pression.Pour obtenir le collage intercouches adéquat, il est extrêmement important que l’émulsion ait mûri avant de mettre en œuvre la couche bitumineuse suivante. En pratique, la rupture se marque par le passage d’une coloration brune à une coloration noire puisque le bitume se transforme en un film continu

Vitesse de rupture d’une émulsion

  La vitesse de rupture d’une émulsion s’établit en fonction de différents facteurs :
– climatiques: température, vitesse du vent, ensoleillement, etc.;
– support en place: température du support, type et caractéristiques (basicité, etc.);
– caractéristiques de l’émulsion: son type (nature du liant, teneur en bitume, pH, nature et teneur en émulsifiant, etc.) et son dosage; etc.  Pour ce qui est intrinsèque à l’émulsion, c’est-à-dire sans tenir compte des conditions climatiques et du type de support sur lequel est appliquée, sa vitesse de rupture peut être estimée via l’indice de rupture de l’émulsion cationique (IREC). En pratique, plus l’indice de rupture est petit, plus la rupture de l’émulsion est rapide.Le choix de l’émulsion sera dicté par l’application. Le fabricant d’émulsion tiendra compte des exigences du type d’application pour adapter la vitesse de rupture de l’émulsion.
Les émulsions dont la rupture est lente présentent les avantages suivants :
– un mûrissement adéquat pour des températures chaudes;
– une plus grande stabilité (elles sont idéales pour l’entreposage);
– une moindre susceptibilité à la poussière.
Elles présentent cependant le désavantage d’un mûrissement trop lent en cas de températures froides de l’air et/ou du support. Les émulsions dont la rupture est rapide présentent les avantages suivants :
– un mûrissement rapide pour des températures chaudes;
– un mûrissement adéquat pour des températures froides.
Elles présentent comme désavantages, une grande susceptibilité à la poussière et une moindre stabilité au stockage.

L’émulsion cationique sur-stabilisée (ECS 40)

  Pour faciliter l’enrobage du sol pendant le mélange, l’entreprise Colas Madagascar a fabriqué une émulsion de type cationique sur-stabilisée (ECS40) en vue de vérifier la compatibilité avec les sols à traiter. Il a fabriqué deux formules d’ECS40 F1 et F2 dont F1 est plus fluxée que F2. Elle est composée en générale de 40% de bitume et de 60% d’eau. Les constituants autres que le liant résiduel et l’eau cités ci-dessous sont des compositions en générale de l’ECS40 mais les proportions et le nom des produits sont strictement confidentiels pour la société.
Constituants
Les principaux constituants de l’ECS40 sont :
– le liant résiduel ;
– l’eau ;
– les émulsifiants ;
– le fluxant ;
– l’acide.
Le liant résiduel
Le liant utilisé est un bitume classique de classe 35/50. C’est un produit par raffineries de pétrole. Ce bitume présente une faible pénétrabilité par rapports aux autres bitumes classiques (annexe 2). Plus la pénétrabilité est faible, plus le bitume est dur. Un additif facilitant la mise en émulsion et améliorant les qualités de stabilité et d’adhésivité est habituellement incorporé en raffinerie.
L’eau
L’eau choisie ne contient qu’un minimum d’impuretés organiques et minérales. Il est en général nécessaire, pour la fabrication de certaines émulsions, de « permuter » l’eau au moyen d’un appareil approprié. La permutation consiste à remplacer les ions calcium et magnésium contenus dans l’eau par des ions sodium apportés.
Les émulsifiants (ou émulsifs)
Les émulsifiants couramment utilisés sont des produits chimiques de la classe des amines. Ils se caractérisent en particulier, par leur consistance liquide ou pâteuse qui conditionne leur manipulation, leur stockage et leur dosage. L’émulsifiant est connu sous le nom d’un agent tensioactif ou composé contenant une partie hydrophile (qui retient l’eau) et une partie lipophile (qui retient les graisses), il se trouve toujours dans la phase dispersante et non dans la phase globulaire.L’émulsifiant que nous avons utilisé est un produit de référence responsable du ralentissement de la rupture de l’émulsion, il donne une excellente tenue mécanique. C’est un produit pâteux.
Ils ont deux rôles principaux :
– abaissement de la tension de surface (stabilité au stockage) c’est-à-dire diminution de la tension interfaciale entre les deux liquides, l’émulsifiant se place à l’interface entre la phase liant et la phase aqueuse
– stabilisation de l’émulsion de bitume lors de l’entreposage par création d’un potentiel de répulsion entre les gouttes grâce aux charges électriques apportées par l’émulsifiant. Il sert d’intermédiaire pour réaliser la protection des globules contre leur soudure mutuelle, en s’interposant dans les chocs. Le choix et la concentration de l’émulsifiant détermine le pouvoir répulsif et donc la stabilité de l’émulsion. Voici quelques grandes familles de tensioactifs dans la route:
– tensioactifs anioniques (acides gras, sulfonates) ;
RCOO– + Na+
– tensioactifs cationiques (amine, polyamines, amidoamines) ;
RNH3 + Cl–
– tensioactifs non ioniques (alkyphénolséthoxylés) ;
R-(O-CH2-CH2)n-OH
– tensioactifs amphotères (bétaïnes).
R-N+-CH2-CH2-COO-Na+
Le fluxant Le fluxant est généralement des huiles de goudron de houille. Ils ramollissent les bitumes (réduction de la viscosité de bitume).
L‘acide Les émulsifiants étant insolubles dans l’eau, il est nécessaire de les transformer en sels pour permettre leur dissolution dans la phase dispersante. A cet effet, on les fait réagir avec un acide qui le plus souvent est de l’acide chlorhydrique en solution aqueuse.

Conclusion générale

  En conclusion, avant de réaliser un projet de stabilisation d’une route, il faut avoir une connaissance générale sur les matériaux à traiter et sur les agents de stabilisation permettant de savoir l’aptitude des matériaux aux traitements. D’après les essais réalisés au laboratoire, la stabilisation des sols à l’émulsion de bitume montre que le traitement des sols avec 5% d’émulsion de formule F1 est plus praticable par rapport aux autres dosages. D’après les résultats, il donne une portance élevée à très élevée selon la classe des portances des sols (dépasser ou diminuer ce dosage entraine une chute de portance des sols).La stabilisation des sols avec de l’émulsion réduit l’infiltration d’eau dans les couches de chaussées durant la saison de pluie. Les résultats d’étude ont montré qu’il faut attendre un peu de temps pour que l’émulsion atteigne ses propriétés finales après évaporation de tous les composés volatils. Après ce stade, le bitume se durci augmentant ainsi la portance du sol.Pour faciliter l’imprégnation de l’émulsion dans les sols, la stabilisation est très praticable dans la zone sèche ou peu pluvieuse. Elle est difficile à réaliser pendant la saison de pluie donc à déconseiller. La réalisation de la planche d’essai est très utile pour vérifier et confirmer tous les essais faits au laboratoire. Elle détermine le comportement des routes stabilisées sous trafic. Pour cette nouvelle technique, elle permet d’arrêter le choix et le dosage des stabilisants et de valider les procédés de mise en œuvre. Cette nouvelle technique est très intéressante pour la construction des routes secondaires (routes ruraux) qui dans la saison de pluie sont presque peu ou pas circulable. Beaucoup d’avantages aussi sont obtenus par l’application de ce mode de traitement comme la suppression des poussières lors du passage des véhicules (réduction des risques d’accident de circulation liés au manque de visibilité dû à la poussière) et l’augmentation de la durée de vie des véhicules.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
PREMIERE PARTIE : GENERALITES
CHAPITRE I. GENERALITES SUR LES EMULSIONS DE BITUME
I-1. Définition
I-2. Historiques
I-3. Caractéristiques des émulsions de bitume
I-4. Classification des émulsions
I-5. Rupture et murissement d’une émulsion de bitume
I-6. Domaines d’emploi des émulsions de bitume
I-7. L’émulsion cationique sur-stabilisée
I-8. Paramètres de fabrications des émulsions de bitumes
CHAPITRE II. GENERALITES SUR LES SOLS
II-1. Origine et formation des sols
II-2. Les éléments constitutifs du sol
II-3. Les grandes familles de sol
DEUXIEME PARTIE : PHASE D’EXPERIMENTATION
CHAPITRE III. LES ESSAIS D’IDENTIFICATIONS DES EMULSIONS
III-1. Détermination de la teneur en eau
III-2. Homogénéité : détermination du résidu sur tamis
III-3. Détermination de l’indice de rupture IREC
III-4. Détermination du pH des émulsions
CHAPITRE IV. LES ESSAIS D’IDENTIFICATIONS DES SOLS
IV-1.Teneur en eau pondérale des matériaux
IV-2. Analyse granulométrique par tamisage
IV-3. Limites d’Atterberg
IV-4. Essai au bleu de méthylène (VBS)
IV-5. Détermination des références de compactage d’un matériau
IV-6. Essai de portance : Essai CBR (Californian Bearing Ratio)
IV-7. Fabrication des briquettes par la méthode DURIEZ
IV-8. Essai d’orniérage
TROISIEME PARTIE : PLANCHE D’ESSAI
CHAPITRE V. DESCRIPTIONS DES TRONçONS D’ETUDE ET LES MOYENS
V-1. Présentation des tronçons d’étude
V-2. Moyens
CHAPITRE VI. EXECUTION DU TRAVAUX
VI-1. Résultats obtenus au laboratoire
VI-2. Les différentes étapes de mise en œuvre
CHAPITRE VII. LES ESSAIS REALISES SUR CHANTIER
VII-1. Préparation de la teneur en eau naturelle sur chantier
VII-2. Compacité au gammadensimètre
VII-3. Mesure de déflexion à la poutre de BENKELMAN
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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