Soutenance mémoire
Différents tensioactifs types d’émulsion
Le type de l’émulsion est imposé par la nature des tensioactifs utilisés. On trouve trois familles de tensioactifs: Il y a les tensioactifs anioniques, avec des charges négatives (anion), qui couvrent les surfaces des gouttelettes de bitume par un film de charge négative. Au contraire, si l’émulsifiant donne aux gouttelettes de bitume une charge positive. Ces tensioactifs forment des molécules d’amines grasses et de l’acide chlorhydrique dans une solution aqueuse (Sabine Le Bec, 2005). La troisième famille, c’est l’émulsion non ionique, fabriquée avec des tensioactifs neutres qui contiennent une partie hydrophile, mais non ionisable dans l’eau (Glady et al., 2016). Dans une solution aqueuse, ces émulsifiants forment des liaisons hydrogène en présence d’eau. Le choix d’émulsifiant est fixé selon le type des granulats. En effet, les émulsions acides fonctionnent avec les granulats siliceux, par ailleurs les émulsions basiques sont utilisées avec les granulats calcaires (Muma, 2001). L’ajout d’un émulsifiant cationique acquiert à l’émulsion une charge positive. L’interaction entre ce type du bitume et les granulats siliceux qui ont des charges négatives est plus forte. Les gouttelettes du bitume sont absorbées en premier lieu par les granulats à cause des forces de Van der Waals, ensuite, puisque les deux matériaux ont deux charges électriques opposées, il se crée une deuxième force d’attraction qui augmente l’adhésion entre l’émulsion et les granulats (Tarefder et al., 2011).
Interaction entre le bitume et les granulats
L’interaction entre le bitume et les granulats est un facteur très important pour avoir un enrobé de bonne qualité et durable. Dans les enrobés à chaud, la teneur en bitume est généralement entre 5 à 6 % de la masse totale de l’enrobé. Il y a plusieurs types de granulats selon les carrières où ils sont extraits, différents par la composition, la chimie, et la morphologie y compris la surface spécifique, les dimensions des particules et la friabilité (Curtis, Ensley et Epps, 1993). Lors de la phase de l’enrobage, le bitume adhère à la surface des granulats et aide à les coller entre eux. La fabrication de l’enrobé à chaud nécessite le chauffage du bitume. En effet, plusieurs réactions peuvent se produire à haute température, affectant ainsi les propriétés adhésives et cohésives du liant et réduisent la durée de vie du pavage (Solomatnikova, 1998). Des recherches montrent que la liaison bitume-granulat est principalement de nature chimique. L’adhésion entre le bitume et les matériaux alcalins est plus forte que celle entre le bitume et les matériaux acides. Les alcalins sont plus stables dans les solutions aqueuses, ils ont un caractère hydrophobe ce qui favorise leur réaction avec le bitume (Tarefder et al., 2011). Les surfaces des granulats contiennent des sites actifs chargés qui attirent les molécules polaires du bitume.
En effet, l’interaction entre le film du bitume et la surface de granulat se fait grâce aux forces électrostatiques, aux liaisons d’hydrogènes ou aux interactions de Van der Waals (Ciochina, 1998). Cette interaction est influencée par l’humidité, les conditions climatiques, l’oxydation, les contraintes mécaniques et spécialement la température. La diffusion des molécules du bitume à la surface des granulats est accélérée à haute température, par contre le mouvement des particules diminue lorsque la température baisse (Liu et Jia, 2011). D’autre part, un essai de microcalorimétrie isotherme mesuré à 160 °C montre que l’adhésivité entre bitumes et granulat est meilleure lorsque le bitume contient plus de molécules d’asphaltènes (Létoffé et al., 1992). L’adhérence entre le bitume et les granulats est contrôlée par des forces électrostatiques. José et al. (2015) ont trouvé que la force d’adhésion devenue plus forte après un vieillissement à court terme ce qui peut être expliqué par l’augmentation de la polarité du bitume vieilli. Ils ont trouvé qu’après un vieillissement à long terme, l’adhérence peut s’affaiblir à cause du durcissement du bitume (Aguiar-Moya José P et al., 2015). L’utilisation de l’émulsion du bitume augmente l’interaction entre le bitume et les granulats. Dans le cas d’une émulsion cationique, les charges positives provenant de l’émulsifiant présentent une forte interaction avec les charges négatives provenant de l’ionisation des agrégats acides chargée négativement.
Vieillissement des bitumes
Comme mentionné précédemment, le bitume, est un matériau évolutif dans le temps. Le vieillissement est un phénomène qui influe sur la structure chimique de bitume et donc engendre un changement des propriétés mécaniques des enrobés bitumineux dans le temps (Merbouh, 2010). À partir de la phase de fabrication, les enrobés bitumineux sont mis en contact avec l’air donc ils vont s’oxyder. En effet, le bitume devient plus rigide ce qui affaiblit les liaisons entre le liant et les granulats (Dr. Nathalie Piérard et Vanelstraete, 2009). Le phénomène de durcissement des enrobés bitumineux est un processus irréversible (Miró et al., 2015), qui contribue à une réduction de la durabilité des chaussées. Même si le bitume n’est qu’une composante du mélange, la performance globale de l’enrobé est en grande partie dictée par ses propriétés. Le vieillissement est un phénomène lié au degré de modification de la structure chimique du bitume. Il s’effectue en deux étapes. D’abord à court terme, lors de la production et le transport des enrobés à des températures élevées dues à la volatilisation et l’oxydation (Morian, 2014), puis à long terme, on observe un phénomène d’oxydation qui se poursuit au cours de la durée de vie de la chaussée, en raison de l’exposition au soleil, des variations de température, des précipitations et de la charge de trafic après l’ouverture de la chaussée à la circulation (Ongel et Hugener, 2014). Le vieillissement du bitume cause la fragilisation de l’enrobé. Suite au vieillissement, le bitume perd son caractère d’imperméabilité à l’eau et devient susceptible au désenrobage, ce qui favorise la détérioration du revêtement (Tarefder et al., 2011). Plusieurs facteurs sont responsables du vieillissement du bitume. Essentiellement, il y a la volatilisation (évaporation) des fractions légères (température élevée), les rayons ultraviolets, l’oxydation, et le durcissement stérique (Tarefder et al., 2011).
Mécanisme du vieillissement oxydatif
L’oxydation du bitume avec l’air est le phénomène le plus influent dans le processus du vieillissement, et qui affecte le plus la structure chimique. Durant l’oxydation, il y a augmentation de la concentration des molécules polaires dans le bitume, ce qui va réduire la mobilité des molécules et augmenter ainsi la viscosité du liant (Petersen, 2009). Elle provoque un réarrangement des molécules constituant le bitume en augmentant la fraction et la taille des molécules d’asphaltènes, et diminuant celles des maltènes. Cela va augmenter sa viscosité (Vargas et al., 2008). Contrairement aux résultats trouvés par Létoffé et Claudy (1992) et présentés dans la section 1.3.9, la liaison entre le bitume et les granulats sera affaiblie, fragilisant ainsi l’enrobé et accentuant le risque de fissuration (Yao, Dai et You, 2015). Le phénomène d’oxydation se produit selon trois phases (Figure 1.11), soit la fragmentation, la pénétration des molécules d’oxygène, et la carbonisation ou bien la condensation (Das et al., 2014). Dans la phase de fragmentation (Figure 1.12A), les grosses molécules se divisent en petites entités. Il y a formation des molécules d’eau, de dioxyde de carbone, d’acide acétique et de méthane. Ensuite, en pénétrant dans le bitume (Figure 1.12B), les molécules d’oxygène donnent naissance à des groupes carbonyle (C=O) et des groupes sulfinyles (S=O) (Dondi et al., 2016). Enfin, à l’étape de condensation (Figure 1.12C), la masse moléculaire des asphaltènes augmente (Das et al., 2014; Dehouche, Kaci et Mokhtar, 2012), et la distribution des fractions génériques est modifiée par conversion d’une partie de la fraction d’aromatiques en résines et par la suite d’une conversion de résines en asphaltènes (M. Sá da Costa, 2010a). Il y a également formation des sulfoxides et de ketones qui contiennent des molécules d’oxygènes polarisés qui vont se lier avec d’autres entités pour former des nouveaux composants (Wright, 1963). Ce changement explique l’augmentation de la viscosité de bitume après oxydation, la diminution de son indice de pénétrabilité et l’augmentation de la valeur de son point de ramollissement (Asphalt Institute, 2011).
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Les enrobés bitumineux
1.1.1 Introduction
1.1.2 Différent constituants d’un enrobé bitumineux
1.1.2.1 Liants hydrocarbonés
1.1.2.2 Granulats
1.1.3 Propriétés des enrobés bitumineux
1.1.3.1 Résistance à l’orniérage
1.1.3.2 Module Complexe
1.2 Les matériaux recyclés
1.2.1 Introduction
1.2.2 Classification des matériaux recyclés (MR)
1.2.3 Les enrobés recyclés
1.2.3.1 Les techniques de recyclage à froid
1.2.3.2 Avantages et désavantages de recyclage à froid
1.3 Le bitume
1.3.1 Introduction
1.3.2 Différentes sources de bitume
1.3.3 Composition de bitume
1.3.3.1 Les asphaltènes
1.3.3.2 Les maltènes
1.3.4 Structure colloïdale du bitume
1.3.4.1 Structure gel
1.3.4.2 Structure sol
1.3.4.3 Structure intermédiaire sol-gel
1.3.5 Caractéristiques de bitume
1.3.6 Essais de caractérisation de bitume
1.3.6.1 Pénétrabilité (AASHTO T49)
1.3.6.2 Point de ramollissement bille et anneau (ASTM D 36-95)
1.3.6.3 Ductilité du bitume (ASTM D 113)
1.3.6.4 Viscosité absolue (ASTM D 2171)
1.3.6.5 Viscosimètre Brookfield (AASHTO TP48)
1.3.6.6 Essais de caractérisation chimique des bitumes
1.3.7 Notion de PG (Performance Grade)
1.3.8 Domaine d’utilisation des bitumes
1.3.9 Émulsion de bitume
1.3.9.1 Émulsifiant: les tensioactifs
1.3.9.2 Différents tensioactifs types d’émulsion
1.3.10 Interaction entre le bitume et les granulats
1.4 Vieillissement des bitumes
1.4.1 Introduction
1.4.2 Volatilisation
1.4.3 Oxydation
1.4.3.1 Définition
1.4.3.2 Mécanisme du vieillissement oxydatif
1.4.4 Influence des rayons UV sur le vieillissement de l’enrobé
1.4.5 Durcissement stérique
1.5 Le Régénérant
1.5.1 Effets de l’ajout du régénérant
1.5.2 Quelques types de régénérant
1.5.2.1 Huile végétale usée (Waste Vegetable Oil, WV Oil)
1.5.2.2 Graisse végétale usée (Waste Vegetable Grease, WV Grease)
1.5.2.3 Huile organique (Organic oil)
1.5.2.4 Tallol distillé (Distilled tall oil)
1.5.2.5 Extrait aromatique (Aromatic Extract)
1.5.2.6 Huile à moteur usée (Waste Engine Oil, WEO)
1.5.2.7 Slop wax
1.5.3 Dosage optimal
1.5.4 Interaction entre le nouveau bitume et le vieux bitume régénéré
CHAPITRE 2 PROGRAMME EXPÉRIMENTAL
2.1 Objectifs du projet
2.2 Matériaux utilisés
2.2.1 Granulats
2.2.1.1 Granulats GBR
2.2.1.2 Le MG-20
2.2.2 Émulsion
2.2.3 La chaux
2.2.4 Le Régénérant
2.3 Procédures expérimentales
2.3.1 Formulation des enrobés bitumineux recyclés à froid
2.3.1.1 Détermination du pourcentage d’eau du malaxage (prémix)
2.3.1.2 Évaluation du pourcentage d’eau optimal au compactage
2.3.1.3 Évaluation de la teneur optimale du bitume résiduel
2.3.1.4 Conclusion-Formulation
2.3.2 Effets de l’ajout du régénérant sur le bitume du GBR
2.3.2.1 Extraction du bitume
2.3.2.2 Récupération du bitume
2.3.2.3 Procédure d’ajout du régénérant dans le bitume vieilli
2.3.2.4 Essai BBR (Bending Beam Rheometer) (AASHTO TP1)
2.3.2.5 Essai DSR (Dynamic Shear Rheometer) (AASHTO TP5)
2.3.2.6 Spectrométrie FTIR (Fourier Transformed Infra-Red spectroscopy)
2.3.3 Effets de l’ajout du régénérant sur l’enrobé recyclé à froid
2.3.3.1 Procédure de l’ajout du régénérant dans les enrobés recyclés à froid
2.3.3.2 Module complexe
2.3.3.3 Orniérage
2.3.3.4 Synthèse des essais
CHAPITRE 3 PRÉSENTATION ET ANALYSE DES RÉSULTATS
3.1 Évaluation de l’effet du régénérant sur le bitume vieilli
3.1.1 Influence du régénérant sur les propriétés rhéologiques du bitume vieilli
3.1.1.1 Effet sur la température basse du bitume: BBR
3.1.1.2 Effet sur la température haute du bitume: DSR
3.1.1.3 Effet sur la susceptibilité thermique du bitume
3.1.2 Influence du régénérant sur la structure chimique du bitume vieilli
3.2 Influence du régénérant sur les propriétés mécaniques des enrobés recyclés
3.2.1 Effet du régénérant sur le module complexe de l’enrobé recyclé (E*)
3.2.2 Effet du régénérant sur la résistance à l’orniérage
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I FICHE TECHNIQUE DU GB-20
ANNEXE II FICHE TECHNIQUE DE L’ÉMULSION
ANNEXE III FICHE TECHNIQUE DE LA CHAUX
ANNEXE IV MASSE DE L’ÉCHANTILLON POUR LA DÉTERMINATION DE LA TENEUR EN BITUME PAR IGNITION
ANNEXE V RAPPORT DE LA MASSE VOLUMIQUE DE L’EAU À T °C SUR CELLE À 25°C
ANNEXE VI RÉSULTATS D’ESSAI DE STABILITÉ MARSHALL
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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