Liant hydrocarboné
Définition
Un liant hydrocarboné est un terme générique pour définir un matériau adhésif contenant du bitume, ou du goudron, ou les deux. Cet élément agrégé avec des granulats fournit des « matériaux enrobés ».
Le goudron n’étant plus guère utilisé en construction routière, au profit du bitume, on retiendra plutôt le terme de liant bitumineux.
Le liant bitumineux peut être un bitume pur, un bitume modifié ou un bitume spécial (bitumes durs, pigmentables, colorés, liants de régénération) ou un liant de synthèse.
A défaut d'autre donnée, la masse volumique du bitume est prise égale à 1,03 t/m3.
Quelques repères historiques
On distinguera les périodes suivantes :
- Jusqu’en 1970 : les bitumes purs
- Les années 70 : les bitumes polymères
- Les années 80 : les liants modifiés et les additifs
- Les années 90 : les bitumes spéciaux
On se réfèrera à l’article sur l’histoire des liants hydrocarbonés.
Les liants bitumineux
Bitumes purs
Ils comprennent les bitumes purs normalisés (norme NF EN 12591) et les bitumes spéciaux divisés en bitumes de grade « dur » (NF EN 13924) et en bitumes à susceptibilité améliorée.
Les bitumes routiers sont répartis en trois groupes de classes au sein de la présente norme européenne: NF EN 12591
- Classes définies par une pénétrabilité nominale à 25 °C de 20x 0,1 mm à 330 x 0,1 mm, spécifiées par la pénétrabilité à 25 °C et le point de ramollissement.
- Classes définies par une pénétrabilité nominale à 25 °C de 250x 0,1 mm à 900 x 0,1 mm, spécifiées par la pénétrabilité à 15 °C et la viscosité dynamique à 60 °C.
- Classes définies et spécifiées par la viscosité cinématique à 60 °C pour les bitumes mous.
Bitumes modifiés
Les bitumes modifiés sont des liants bitumineux dont les propriétés ont été modifiées par l'emploi d'un agent chimique, qui, introduit dans le bitume de base, en modifie la structure chimique et les propriétés physiques et mécaniques. Ils sont codifiés dans la norme NF EN 14023. La norme est plutôt une description qu'une véritable classification en fonction de performances.
Ils sont préparés avant emploi dans une unité spécialisée. Les agents chimiques comprennent le caoutchouc naturel, les polymères synthétiques, le soufre et certains composés organométalliques. Les principaux agents chimiques utilisés dans la modification des bitumes sont :
•Polymères thermoplastiques élastomères
- SBS (Styrène Butadiène Styrène)
- SIS (Styrène Isoprène Styrène)
- SB (Styrène Butadiène)
- SBR (Copolymère statistique)
•Polymères thermoplastiques plastomères
- EVA (Ethylène acétate de vinyle)
- EMA (Ethylène acrylate de méthyle)
- EBA (Ethylène acrylate de butyle)
- PIB (Polyisobutylène)
• Latex
- Polychloroprène Caoutchouc SBR
- Caoutchouc naturel
- Poudrette de caoutchouc
* Les liants modifiés élastomères :
On distingue les mélanges physiques et les bitumes élastomères obtenus par réticulation.
Les mélanges physiques sont généralement hétérogènes à une échelle de quelques micromètres. La finesse de la structure des bitumes élastomères va directement intervenir sur la stabilité du mélange à chaud et sur ses propriétés physiques sur toute la gamme de températures.
Les bitumes élastomères réticulés ont une structure résultant d'une double forme de liaisons extrêmement fines, de l'ordre du micromètre. Cette réaction est irréversible.
Les bitumes élastomères réticulés ont par rapport au liant initial, des résistances en traction plus élevées, ainsi que des raideurs et des ductilités augmentées.
La modification du bitume par des élastomères induit des différences de comportement rhéologique. Par rapport au bitume pur, le BmP SBS présente, à basse température, des modules plus faibles, donc une meilleure flexibilité. La situation s'inverse à hautes températures. Pour un bitume donné, cette modification du comportement rhéologique, dépend de la nature et de la teneur en polymères.
* Les liants modifiés plastomères :
- Les bitumes copolymères d'éthylène (EVA, EMA et EBA) :
Aux faibles teneurs en polymères (< 5 %), la modification des propriétés est due essentiellement à l'augmentation de la teneur en asphaltènes de la phase bitume. Dans ce cas, le choix du bitume d'origine est prépondérant.
Aux fortes teneurs en polymères, on a affaire à un polymère plastifié par une fraction des maltènes du bitume et c'est le choix du polymère qui conditionne les propriétés du liant. On constate une diminution de la pénétrabilité et une forte augmentation de la température bille-anneau.
- Les bitumes copolymères d'éthylène - polybutylène (PIB) :
L'addition de PIB aux bitumes routiers en diminue la fragilité à froid. L'utilisation conjointe de PIB et d'EVA permet d'améliorer simultanément le comportement à haute et basse température.
A l'exception des liants PIB-EVA, les mélanges bitumes copolymères sont rarement stables au stockage. (Sauf pour des teneurs < 3 % EVA et pour des liants à faible teneur en asphaltènes). II est nécessaire d'agiter ou de recirculer le liant.
* Les bitumes caoutchouc :
Les bitumes caoutchouc non stockables :
Fabriqué à partir de poudrette de caoutchouc obtenue par rapage de caoutchouc naturel et synthétique, le bitume caoutchouc présente un caractère élastomérique, une haute viscosité à haute température et une bonne flexibilité à basse température.
Les bitumes caoutchouc stockables :
Fabriqué à partir de déchets broyés de pneumatiques de camions et de voitures, d'une huile lourde et d'un élastomère synthétique, le bitume caoutchouc présente un très fort allongement à la rupture à basse température.
Bitumes pigmentables
Ils sont obtenus à partir de bruts sélectionnés et sont caractérisés par une très faible teneur en asphaltènes. Les grades sont les mêmes que pour les bitumes routiers classiques.
La coloration se fait à l'aide d'oxydes métalliques à raison de 2,5 % à 6 % environ en masse par rapport à l'enrobé.
Liants de synthèse
Ces liants sont obtenus par mélange de coupes pétrolières et pétrochimiques sans asphaltènes. Ils se présentent sous un aspect transparent en film mince qui permet de garder la teinte naturelle du granulat. Ils peuvent être colorés par l'addition de 2 % de pigments.
Liants bitumineux avec charges minérales
Ces liants prêts à l'emploi sont obtenus par mélange en usine, de bitume pur et de charges minérales, par exemple de la chaux. La teneur en liant est différente de la teneur en bitume.
Bitume antikérozène
Ce sont des bitumes spécialement formulés pour résister au risque de dissolution par les pertes de kérosène sur les parkings et voies de circulation des aéroports. Ils peuvent être utilisés dans la composition des Bétons Bitumineux Aéronautiques (BBA).
Les additifs
Les additifs sont des matériaux ajoutés en petites quantités aux composants de l’enrobé pour en améliorer les propriétés. Ils peuvent être introduits soit dans le mélange au moment du malaxage soit directement dans la cuve bitume.
Dopes d'adhésivité
Pour améliorer l'affinité réciproque entre le liant et les granulats et en assurer la pérennité, des dopes d'adhésivité peuvent être utilisés. II s'agit principalement de composés tensioactifs azotés dérivés des acides gras (amines, polyamines...) dosés à environ 0,3 à 0,6% du bitume. La chaux ou les fines calcaires, dosées jusqu'à 1 % du bitume, peuvent également être utilisées comme agents dopants.
Polyéthylène
Provenance : déchets de câble, broyage de bouteilles de lait, de films polyéthylène, polyéthylène neuf.
Les déchets de polyéthylène sont souvent un mélange de polyéthylène haute et basse densité. Lors de la fusion voisine de 130 °C le polyéthylène se combine en partie avec le bitume. Le dosage est habituellement compris entre 0,4 % et 1 %, par rapport aux granulats. La proportion de polyéthylène par rapport au bitume, peut ainsi varier entre 20 % et 66 %.
Polymères
Ils se présentent sous forme de granulés incorporés lors du malaxage du mélange.
Poudrette de caoutchouc et granulats de caoutchouc 216
Incorporé au moment du malaxage, le caoutchouc se combine partiellement avec le bitume. La température de fabrication est supérieure à celle du bitume pur. La masse volumique du caoutchouc est de 1,15 g/cm3.
Fibres neuves et de recyclage
Les fibres peuvent être mélangées au liant préalablement ou introduites dans le mélange à sec ou encore aprés incorporation du bitume. Selon le type de fibres, le mode de préparation en laboratoire doit être adapté tout en restant fidèle au mode d'incorporation industrielle.
Différentes natures de fibres sont utilisées :
Verre
Ce sont des fibres inorganiques de longueur comprise entre 100 μm et 10 mm, d'un diamètre de l'ordre de 5 μm à 6 μm.
Le traitement de surface conditionne les propriétés induites. Le dosage habituel est de 0,8 % par rapport aux granulats. Leur masse volumique est de 2,5 g/cm3 et leur surface spécifique théorique est de 0,3 m2/g.
Cellulose
Ce sont des fibres naturelles de longueur comprise entre 900 ~tm et 1,1 mm, d'un diamètre de l'ordre de 15 μm à 50pm. Elles peuvent être pré-enrobées sous forme de granulés. Leur dosage est de 0,3 % au maximum par rapport aux granulats. Leur masse volumique est de 0,9 g/cm3 et leur surface spécifique théorique est de 0,16 m2/g.
Roche
Ce sont des fibres minérales de longueur comprise entre 200 μm et 2 mm, d'un diamètre de l'ordre de 3 μm à 5 μm. Leur masse volumique est de 2,7 g/cm3 et leur surface spécifique théorique est de 0,6 m2/g.
Polyester
Ce sont des fibres synthétiques de longueur comprise entre 600 μm et 1,2 mm, voire 6 mm. Elles résistent à une température de 220°C. Le dosage est de l'ordre de 0,6 % par rapport aux granulats.
Composite
Ce sont des fibres issues de produits de recyclage par exemple de pièces automobiles.
Bitumes et asphaltes naturels
Bitume de Trinidad épuré :
Le bitume épuré est extrait par raffinage, il contient une partie minérale, sa masse volumique est voisine de 1,40 g/cm3, la pénétration à 25 °C est comprise entre 1 1/10 mm et 4 1/10 mm, et la température bille-anneau supérieure à 90 °C. (Le bitume « soluble » a une pénétration standard de 3 à 12 1/10 mm et une température bille-anneau comprise entre 68 et 78 °C).
Poudre de Trinidad 50150
C'est un mélange composé de 50 % de bitume de Trinidad épuré et de 50 % de filler calcaire.
Gilsonite® :
La Gilsonite est un hydrocarbure naturel, qui se présente sous forme de 0/2. La masse volumique est de 1,05 g/cm3, la pénétration standard est voisine de 0 (1/10 mm) et la température bille-anneau supérieure à 150°C. Le dosage va de quelques pour-cent à 10 % des granulats secs.
Colorants
Les colorants utilisés en technique routière sont des pigments minéraux qui ont fait preuve de stabilité à la température d'enrobage ainsi qu'à la lumière. Les plus courants sont les oxydes métalliques suivants : - Les oxydes de fer de couleur rouge, jaune ou grise - Le chromate de plomb jaune clair - L'oxyde de chrome de couleur verte - L'oxyde de cobalt de couleur bleue - L'oxyde de titane de couleur blanche
Essais pour la caractérisation des liants
- Les analyses physico-chimiques
- Indicateurs traditionnels pour la caractérisation des liants bitumineux
- Les essais de simulation du vieillissement
- Les méthodes d’étude spécifiques aux liants modifiés
- Les essais rhéologiques
- Les essais mécaniques pour caractériser la rupture
- Les essais de traction
