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Logiciels d’analyse de cycle de vie- Eco-comparateurs
Chimie du bitume
Le bitume est un matériau d’origine fossile, composé d’un mélange de molécules hydrocarbonées plus ou moins longues, donc plus ou moins lourdes. Il est constitué de deux familles principales de molécules : les asphaltènes et les maltènes. La distinction entre les deux familles se fait par dissolution du bitume dans un hydrocarbure léger, le n-heptane (figure 1.1 ). La première famille, les asphaltènes, y est insoluble. Elle se distingue ainsi des maltènes (Witier et al.). A température ambiante, les asphaltènes se présentent comme un corps solide, noir et cassant. Ce sont les constituants des bitumes présentant les plus importantes masses moléculaires (de 103 à 106 g/mol). Les bitumes auront tendance à être d’autant plus durs qu’ils présenteront un pourcentage élevé de ces molécules (Bitume lnfo, 2005). Les maltènes elles, sont un mélange d’huiles et de résines, solubles dans l’hydrocarbure précité. L’aspect global d’un mélange de maltènes est celui d’une huile visqueuse, car contrairement aux asphaltènes cette famille est constituée de molécules plus légères. Ce Reproduced with permission of the copyright owner.
Further reproduction prohibited without permission. sont ces molécules qui vont avoir tendance à s’évaporer en premier lorsque l’on chauffe les bitumes, notamment les composés aromatiques, nocifs pour la santé. Ces huiles présentent généralement un caractère de fluide newtonien (Lombardi, 2007). Un bitume est donc un système colloïdal qui selon les concentrations des ses constituants va présenter un type gel ou sol (cf. figures 1.2 et 1.3). Si la teneur en résines est faible et qu’il y a beaucoup d’asphaltènes, alors ces derniers ne peuvent pas être peptisés par les résines de manière optimale, et se mettent à former un réseau de particules solides entre lesquelles on retrouve les huiles malténiques. Le bitume présente alors un type « gel ». Au contraire, si les asphaltènes sont correctement peptisés, ils deviennent alors la phase dispersée de la solution colloïdale, les huiles formant la phase continue de la solution. Le bitume a dans ce cas un type «sol». Il existe évidemment toute une gamme de variations possibles entre ces deux types de comportements. En fonction du type de la solution étudiée, le bitume présentera par conséquent des caractéristiques physiques différentes, en particulier concernant sa rhéologie (Bitume lnfo, 2005).
Propriétés physiques Rhéologie :
Le bitume présente des propriétés rhéologiques intéressantes du point de vue de la construction des routes. D’une part, lorsqu’il est chauffé, il acquiert un comportement fluide et lubrifiant, facilitant le glissement des granulats les uns par rapport aux autres et permettant une maniabilité aisée de l’enrobé lors de la pose. D’autre part, une fois l’enrobé compacté et refroidi, il adopte un comportement plus proche du solide élastique, et permet un collage fort des granulats entre eux (St-Jacques, 2008). Malheureusement, ces comportements simplifiés à l’extrême ne sont pas idéaux. En effet, le bitume ne se comporte jamais complètement comme un solide élastique parfait répondant à la loi de Hooke, ni comme un fluide newtonien parfait. C’est un matériau viscoélastique dont les caractéristiques varient en fonction de plusieurs paramètres, dont la température, le temps de chargement ou encore l’indice de pénétrabilité (IP) (lié au type gel ou sol). On considère qu’un bitume d’IP faible aura plutôt un comportement de fluide visqueux et newtonien, alors qu’un bitume d’IP élevé se comportera plus de manière élastique et non newtonienne (British Petroleum, Guide du bitume-rhéologie, s.d). Il en résulte qu’en règle générale, les bitumes de type sol ont un IP faible, résisteront bien aux sollicitations rapides mais présenteront une sensibilité élevé à la température. Les bitumes gel auront eux des IP élevés, seront moins sensibles à la température et résisteront bien aux sollicitations lentes (Bitume lnfo, 2005).
Sensibilité au vieillissement : Le bitume est un matériau qui est très susceptible au vieillissement (Paranhos, 2007). Le vieillissement du bitume se manifeste dans la pratique par la perte de son élasticité : il durcit et devient fragile. Comme les ouvrages routiers sont censés performer pendant des dizaines d’années (souvent deux, voire trois) c’est une caractéristique importante à prendre en compte lors du choix du bitume et lors du processus d’enrobage, afin de ne pas mettre en péril la longévité de la chaussée.
Sensibilité à la température Comme cela a été évoqué concernant la rhéologie, les propriétés viscoélastiques des bitumes sont étroitement liées à la température. Les bitumes étant en fait un mélange de molécules principalement hydrocarbonées, il n’est pas possible de leur déterminer un point de fusion contrairement aux corps purs (Lombardi, 2007). Ainsi la caractérisation des bitumes est basée sur des résultats d’essais dont les caractéristiques ont été fixées de Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission. façon arbitraire. Ces essais servent à déterminer comment va varier leur comportement en fonction de la température.
En Europe, les bitumes sont classés selon leur pénétrabilité. L’essai qui sert à déterminer la pénétrabilité est l’essai de pénétrabilité à l’aiguille. Il consiste à laisser une aiguille s’enfoncer dans un échantillon de bitume à 25°C sous une charge de cent grammes pendant cinq secondes. De la lecture, en dixième de millimètre on déduit la classe du bitume parmi celles normalisées. Plus la pénétrabilité est faible, plus le bitume est dur. Cet essai est complété par la mesure du point de ramollissement bille-anneau (cf. annexe 1 ). On détermine ce que l’on appelle l’indice de pénétrabilité (IP) par une deuxième mesure de pénétrabilité à une température différente. En faisant intervenir deux mesures à des températures différentes, I’IP permet de mettre en relation l’évolution de la consistance du bitume avec la température: sa susceptibilité thermique (Guide du bitume BP). En Amérique du Nord, on utilise d’autres essais pour classifier les bitumes. Ils sont basés sur les recommandations du Strategie Highway Research Program (SHRP).
On s’intéresse à la plage de température dans laquelle le bitume peut servir sans risque de déformation par fluage (température maximale) et sans fissuration (température minimale). La valeur supérieure de la plage est déterminée par essai dans un rhéomètre à cisaillement dynamique, en anglais Dynamic Shear Rheometer (DSR), et la valeur basse à l’aide d’un rhéomètre à flexion de poutre, en anglais Bending Bearn Rheometer (BBR). Les sensibilités à la température des bitumes étant ce qu’elles sont, il est nécessaire de les chauffer suffisamment afin de les rendre assez fluides pour pouvoir les pomper et les transférer dans des tuyaux lors de leur utilisation industrielle. Au cours de la fabrication d’enrobés tièdes, il n’y a pas de dérogation à cette règle. Ainsi, à moins d’avoir recours à des additifs modifiant la viscosité du bitume ou à une émulsion, dans la plupart des cas, le bitume est autant chauffé que l’enrobé soit fabriqué tiède ou chaud. Sinon, son transfert du lieu de stockage au lieu d’utilisation ne serait pas possible.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTERATURE
1.1 Bitume
1.1.1 Origine
1.1.2 Chimie du bitume
1.1.3 Propriétés physiques
1.2 Enrobés bitumineux
1.2.1 Constituants
1.2.2 Propriétés
1.2.3 Méthode de fabrication
1.3 Méthode de formulation
1.3.1 Méthode Française
1.3.2 Méthode Superpave
1.3.3 Méthode LC
1.4 Logiciels d’analyse de cycle de vie- Eco-comparateurs
1.5 Utilisation en chantier
1.5.1 Types d’enrobés utilisés
1.5.2 Application et compactage
1.6 Enrobés tièdes
1.6.1 Historique et genèse
1.6.2 Technologies existantes
1.6.3 lntérêts
1.7 Problématique
CHAPITRE 2 ESSAIS DE LABORATOIRE
2.1. Objectifs
2.2. Matériaux
2.2.1. Saint-Bruno de Montarville # 1
2.2.2. Saint-Bruno de Montarville # 2
2.2.3. Bromont
2.2.4. Saint-André A vell in
2.3. Méthode de préparation
2.3.1. Préparation des combinés granulaires
2.3.2. Chauffage des matériaux
2.3.3. Dosage
2.3.4. Malaxage
2.4. Essais
2.4.1. Compaction PCG
2.4.2. Tenue à l’eau
2.4.3. TSR AASHT0
2.4.4. Désenrobage
2.4.5. Orniérage
2.5. Résultats
2.5.1. Compaction PCG
2.5.2. Tenue à l’eau
2.5.3. TSR AASHTO
2.5.4. Désenrobage
2.5.5. Orniérage
CHAPITRE 3 IMPACT ENVIRONNEMENTAL
3.1. Présentation des méthodes de calcul.
3.1.1. Calcul avec le logiciel Gaïa
3.1.2. Calcul théorique
3.2. Évaluation des gains bruts de production
3.2.1. Première évaluation : production de 1000 tonnes
3.2.2. Calage sur une production réelle
3.3 Évaluation des gains nets en production
3.3.1 Simulation Gaïa
3.3.2 Mesures réelles
3.3.3 Calcul théorique
3.4 Exploitation des résultats
3.5 Activités de DJL au Québec
3.6 Autres gains environnementaux
CHAPITRE 4 DISCUSSION
4.1 Essais en laboratoire
4.1.1 PCG
4.1.2 Désenrobage
4.1.3 Tenue à l’eau
4.1.4 TSR
4.1.5 Orniérage
4.2 Simulations énergétiques
4.3 Impact environnemental
4.4 Observations diverses
CONCLUSION
ANNEXEI Mesure du point de ramollissement bille-anneau
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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