Généralités sur le bitume
Plusieurs définitions ont été données au bitume. Selon les spécifications européennes (norme EN 12597), le bitume est un matériau adhésif et étanche, pratiquement non volatil, dérivé du pétrole brut ou présent dans l’asphalte naturelle. Il est complètement ou presque soluble dans le toluène et a un comportement très visqueux ou solide à température ambiante (Lesueur, 2009).
Fabrication des liants bitumineux
Le bitume est obtenu essentiellement par raffinage du pétrole. Comme règle générale, plus le pétrole brut est lourd, plus il est riche en bitume (Read & Whiteoak, 2003). Le processus de distillation consiste en premier lieu à séparer les composantes légères du pétrole par distillation atmosphérique à 350 °C. En deuxième lieu, un raffinage sous vide est effectué à une température qui peut varier de 350°C à 425°C et sous des pressions situées entre 1 et 10 KPa. Le bitume est alors le résidu de cette distillation sous vide (J. G Speight & ebrary, 1999) . Généralement, les procédés de raffinage donnent lieu, selon l’origine du pétrole brut, à deux types de bitume : les bitumes mous et les bitumes durs. D’autres types intermédiaires peuvent être obtenus par mélange de ces derniers (Read & Whiteoak, 2003).
Les applications du bitume
Actuellement dans l’industrie des bitumes, 95% des quelques 100 Mt de bitume produit chaque année dans le monde sont utilisées dans la construction routière. Ils agissent comme liant pour les granulats afin de former des enrobés bitumineux (Lesueur, 2009). Les mélanges d’enrobés bitumineux sont généralement fabriqués en chauffant environ 5% en masse de bitume jusqu’à environ 160 °C afin de diminuer sa viscosité et ensuite être mélangé avec 95% en masse d’agrégats (Corté, 2004). Ce processus est appelé mélange à chaud, et les spécifications sur le bitume dans les chaussées sont principalement basées sur cette application. D’autres techniques de fabrication d’enrobés bitumineux utilisant des émulsions de bitume ou du bitume fluidifié sont également disponibles. En revanche, elles représentent moins de 5% de la production totale d’enrobés bitumineux (Lesueur, 2002).
Les propriétés physico-chimiques du bitume
La densité du bitume varie de 1,01 à 1,04 g/cm³ à température ambiante. Elle dépend principalement de l’origine du pétrole et du grade de performance. Comme règle générale, on peut dire que plus le bitume est dur, plus il est dense (Read & Whiteoak, 2003). La température de transition vitreuse Tg du bitume varie de -40°C à +5°C. Une valeur médiane typique est de l’ordre de -20°C (Turner & Branthaver, 1997). La complexité de la structure chimique du bitume réside dans la quantité de composantes chimiques qu’il contient (J. G Speight & ebrary, 1999). En effet, le bitume contient du carbone (80-88%), de l’hydrogène (8-12 %) et en quantité moindre, de l’oxygène, du soufre et des traces de métaux tels que le Vanadium et le nickel (Mortazavi & Moulthrop, 1993) . Le soufre représente l’atome polarisé le plus présent dans le liant bitumineux. Il est le plus souvent sous forme de sulfures, de thiols et en moindre degré de sulfoxyde (Lesueur, 2009).
La composition chimique
La connaissance de la composition chimique du bitume est essentielle pour cerner les rouages de la microstructure de ce dernier. Dans cette partie, il s’agit de décrire les différentes composantes du bitume à l’échelle moléculaire et de comprendre l’influence de ces derniers sur la microstructure du bitume.
La structure moléculaire
Les types de composés moléculaires dans le bitume
Le bitume est un mélange d’une grande variété d’hydrocarbures ayant une haute température d’ébullition. Ces composés peuvent être :
• types aliphatiques possédant une chaîne de carbone ouverte (ex : matières cireuses) .
• types aromatiques dont les atomes forment des structures cycliques et planes particulièrement stables (ex : asphalte soufflé) .
• type composé à la fois d’un carbone aliphatique et aromatique (Robertson et al., 1991) .
Le bitume contient aussi des hétéroatomes à savoir : le souffre, le nitrogène, l’oxygène, ainsi que des métaux tels que vanadium ou le nikel (J. G Speight & ebrary, 1999). La plupart des métaux forment des composés chimiques tels que les métalloporphyrines. Le vanadium est le métal le plus présent, jusqu’à 2 000 parties par million (ppm), et le nickel peut atteindre des concentrations jusqu’à 200 ppm. Le soufre est généralement l’atome polaire le plus fréquent. Il apparaît sous la forme de sulfures, de thiols et, dans une moindre mesure, de sulfoxydes (J. G Speight & ebrary, 1999). L’oxygène est typiquement présent sous la forme de cétones, de phénols et, dans une moindre mesure, d’acides carboxyliques (J. G Speight & ebrary, 1999) . L’azote existe typiquement dans les structures pyrroliques et pyridiniques et forme également des espèces amphotères telles que les 2 quinolones (J. G Speight & ebrary, 1999).
Il est facile de voir que des dizaines de milliers d’espèces moléculaires différentes peuvent être présentes dans le bitume considérant que chaque agencement différent des éléments constitue une molécule différente. Il est beaucoup plus efficace de faire une classification de la chimie du bitume en termes de types moléculaires.
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