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Étude rhéologique d'asphalte et bitume

Le bitume est un résidu raffiné de la distillation du pétrole brut. Il s'agit d'un mélange complexe d'un grand nombre de composants pétrochimiques. L'asphalte est un mélange de bitume avec des composants minéraux, le bitume servant de liant. Dans certains pays (USA, par exemple), les termes de bitume et d'asphalte sont utilisés comme synonymes.

Le matériau de revêtement des routes ou le béton bitumineux consiste en un mélange de matériaux comme les pierres, le gravier, les pierres écrasées, le sable, etc. avec du bitume comme liant (ou de l'asphalte - dans certains pays). Le revêtement est généralement soumis à une variété de conditions climatiques et une forte circulation routière. Par conséquent, la réparation des routes constitue un facteur de coût important pour les autorités chargées de la construction des routes. Les dommages typiques sont la formation de traces d'usure ou de fissures dus à l'usure du matériel ou à la contrainte thermique.

Les traces d’usure proviennent de la charge permanente de circulation. Il s’en suit que les résistances structurelles du mélange s'affaiblissent ce qui peut entraîner à une déformation permanente et croissante du revêtement. Pour finir, les conséquences peuvent prendre la forme d’un aquaplanage.

La fatigue et la fissuration thermique sont souvent causées par les variations de température saisonnières. Des micro-fissures ne pouvant s'auto-régénérer peuvent se produire. Comme autre conséquence, les fissures peuvent s'agrandir et des fragments de pierres ou d'asphaltes peuvent être arrachées du revêtement par action des forces de friction des pneumatiques - une réaction en chaîne fait alors que l'eau et la glace s'infiltrant en hiver accélèrent ce processus de dommage, qui arrive fréquemment dans les climats froids.

L'objectif des administrations publiques tout comme celui des constructeurs de voies, des fabricants de matériaux de construction et des instituts de recherche est d'améliorer la performance et la durée de vie du béton bitumineux. Ceci peut être obtenu en utilisant des matériaux bruts de haute qualité et en mélangeant les bonnes proportions de bitume et de matériaux minéraux. Ces améliorations se traduisent par un traitement facilité, une stabilité dimensionnelle, une résistance aux variations climatiques saisonnières, une moindre persistance des liquides et de la poussière ainsi qu’une meilleure adhérence.

Comportement rhéologique de l’asphalte et du bitume

Pour une bonne qualité de produit, le point central est les attributs de liant du bitume qu'il est possible de mesurer avec un rhéomètre. Les diverses étapes de traitement et d'utilisation exigent diverses consistances du bitume. Dans l'ingénierie routière, les mélanges de béton d'asphalte chauds sont produits et homogénéisés à des températures diverses. Les sites de fabrication d’asphalte servant au traitement continu de ces mélanges peuvent être fixes ou mobiles, de façon à ce que le mélange puisse être pompé et versé. Pendant la phase de refroidissement qui suit l'application, le mélange est compacté en permanence sur la route. Les propriétés du bitume peuvent être optimisées en testant sa viscosité et en surveillant les paramètres rhéologiques pour décrire sa rigidité et sa conformité. Plusieurs dispositifs géométriques et appareils de mesure, comme des appareils de chauffage spécialement adaptés au test du bitume (ou de l'asphalte) garantissent des résultats d'une très grande justesse.

Bitume

Le terme « bitume » est d'origine celte et signifie résine minérale ou « résine de la terre ». Ce liquide inflammable allant du jaune-marron au noir a des propriétés viscoélastiques à température ambiante. Il est constitué de milliers de composés à haute et basse masse moléculaire, dont des hydrocarbures, des résines, des paraffines, des cires, des graisses, des huiles lourdes, des lignines, des protéines et des asphaltènes. A l'opposé de l'asphalte, le bitume ne contient pas de solides (par exemple minéraux). Le bitume naturel se compose de matériaux organiques naturels.

Le bitume sert surtout comme liant de l'asphalte pour les mélanges de revêtement des routes, dans lesquels il lie des additifs minéraux solides comme le sable ou les petites pierres. À cette fin, il doit rester stable contre la désagrégation à des températures élevées. D’un autre côté, il ne doit pas avoir tendance à se désagréger à basses températures.

Tests rhéologiques sur le bitume

Les propriétés rhéologiques du bitume peuvent être déterminées, par exemple, par des tests oscillatoires à une température variable (dans la plage T = 0 °C à +70 °C). Les polymères synthétiques sont souvent utilisés pour optimiser le comportement viscoélastique du revêtement des routes. Habituellement, les composants du bitume pur ont moins d'influence sur son comportement rhéologique que les polymères synthétiques qui ont été ajoutés. Des tests existant depuis longtemps sont exécutés à une seule température, ce qui n’est pas suffisant pour une substance thermoplastique rhéologiquement complexe comme le bitume. Les valeurs spécifiques traditionnelles comme le point de ramollissement (PR) déterminé à l'aide de la méthode de la bille et de l'anneau (R&B), ou les valeurs déterminées par les tests de pénétration de l'aiguille permettent une classification approximative mais ne fournissent pas les informations suffisantes sur la qualité d'un produit fourni ou sa conformité pour des applications plus spécifiques.

Ce test nécessite un rhéomètre pour l'asphalte intégrant un dispositif de contrôle de la température par effet Peltier pour géométries de cylindre concentrique.

Bitume modifié aux polymères (PMB)

Pour faire en sorte que le bitume ou le liant de l'asphalte réponde aux exigences spéciales, comme le revêtement de routes, il est souvent mélangés avec des polymères pour former ce qu'on appelle un bitume modifié aux polymères (PMB). Par rapport au bitume courant, le PMB est plus cohésif avec les particules minérales et la plage de température entre le point de ramollissement et le point de rupture est plus étendue. Il fait preuve d'une meilleure récupération structurelle après le retrait de la contrainte et est plus résistant contre la fatigue de la matière. En outre, le PMB fait preuve d'une meilleure résistance à l'eau, d'une rigidité et d'une durabilité plus élevées. Le PMB est habituellement utilisé dans les zones connaissant un trafic routier spécialement élevé, par exemple pour les ponts et le béton à asphalte à cellule ouverte, utilisé pour réduire les bruits de conduite.

Tests rhéologiques sur le bitume modifié aux polymères

L’intérêt principal de mélanger le bitume à des polymères est d’étendre sa plage de ductilité et ainsi de le rendre plus rigide à haute température et plus souple à basse température. Les additifs peuvent représenter jusqu’à 7 % du bitume. Les additifs communs sont des mélanges de polymères thermoplastiques comme le styrène-butadiène-styrène (SBS), l'éthylène-acétate de vinyle (EVA) ou bien le caoutchouc de pneumatique moulu (GTR). Les tests rhéologiques peuvent être utilisés pour déterminer le comportement dépendant de la température du PMB lorsqu'il est chauffé ou fondu, par exemple lors de tests thermiques à l'aide d'un rhéomètre oscillatoire. Bien que le pourcentage de polymère ajouté soit assez faible par rapport au bitume, une courbe de température montre très bien la forte influence des molécules de polymère sur le comportement viscoélastique.

Ce test nécessite un rhéomètre pour l'asphalte intégrant un dispositif de contrôle de la température par effet Peltier pour géométries de cylindre concentrique.

Asphalte modifié au caoutchouc

Le nombre croissant de véhicules sur les routes dans les pays industrialisés et en développement se traduit par des millions de pneus usés chaque année. L’utilisation de caoutchouc de pneumatique dans la production d’asphalte pour la construction de routes aide à réduire l’empreinte environnementale des pneus usés et modifie en prime de manière positive les propriétés de l'asphalte pour la construction d'autoroutes. Les avantages sont notamment des surfaces de route plus durables, un entretien réduit, un niveau de bruit inférieur ainsi que des distances de freinage plus courtes. L’asphalte caoutchouc est devenu le premier débouché des pneus usés et en consomme environ 12 millions chaque année. La Californie et l’Arizona sont les États qui utilisent la plus grande quantité d'asphalte caoutchouc dans la construction d’autoroutes (plus de 80 % de l’asphalte est de l’asphalte caoutchouc), bien que des asphaltes caoutchouc puissent être conçus pour fonctionner dans n’importe quel climat.

Tests rhéologiques sur l'asphalte modifié au caoutchouc

Les fabricants d’asphalte doivent pouvoir mesurer le comportement viscoélastique de l’asphalte en fonction de la température afin de classer le matériau et anticiper ses performances. Ces mesures peuvent être réalisées à l’aide d'un rhéomètre à cisaillement dynamique, qui peut traiter l’asphalte modifié au caoutchouc contenant des particules faisant jusqu’à 2 mm de diamètre. En règle générale, l’ajout de caoutchouc de pneumatique améliore sensiblement les propriétés rhéologiques de l’asphalte, ce qui se traduit par une augmentation de la rigidité et l’élasticité du matériau par rapport à l’asphalte classique.

Ce test nécessite un rhéomètre pour l'asphalte intégrant un dispositif de contrôle de la température par effet Peltier pour géométries de cylindre concentrique.

Autres matériaux et applications