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Liant hydrocarboné

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Un liant hydrocarboné est d'une manière générale un matériau adhésif (un liant) contenant du bitume, du goudron, ou les deux[1]. Cet élément agrégé avec des granulats fournit des « matériaux enrobés ».

À défaut d'autre donnée, la masse volumique du bitume est prise égale à 1,03 g cm−3 à 25 °C, soit 1 030 kg m−3 ou 1,03 t m−3.

L'histoire des liants hydrocarbonés est marquée par plusieurs avancées technologiques depuis le début du XXe siècle visant à améliorer l'efficacité de ces matériaux. Les premiers bitumages des routes ont été suivis dans l'après-guerre par l'essor des bitumes purs pour le revêtement du réseau routier. Au cours des années 1970 sont apparus les bitumes polymères, offrant une plus grande rigidité aux enrobés. Les années 1980 ont vu l'introduction de bitumes modifiés et d'additifs, ainsi que le développement des bétons bitumineux minces pour les chaussées. Les années 1990 ont été caractérisées par l'émergence des bitumes spéciaux pour l'asphalte, ainsi que des enrobés colorés. Depuis les années 2000, les recherches se concentrent sur les enrobés économes en énergies.

Années 1920 : premiers bitumages des routes

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La connaissance et l'utilisation du bitume remontent à l'Antiquité. Des recherches archéologiques ont confirmé que les peuples du Moyen-Orient exploitaient l'asphalte naturel il y a plus de 6 000 ans. Mais ce n'est qu'au XIXe siècle qu'apparurent les premiers trottoirs asphaltés dans Paris et en 1925 que commença l'emploi des produits bitumeux sur les routes françaises.

Années 1950-1960 : l’essor des bitumes purs

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Le revêtement de la plus grande partie du réseau routier secondaire français remonte en fait aux années 1950.

Les recherches d'amélioration des propriétés des bitumes par modification de sa structure ou par l'ajout d'additif sont anciennes. Ainsi, par exemple, Bencovitz et Boe publiaient en 1938 déjà un article sur l'addition de soufre aux mélanges bitumineux.

Antérieurement à 1970, on relève à partir de la fin des années 1950, aux États-Unis, la réalisation d’enrobés avec du bitume modifié par des caoutchoucs incorporés sous forme de latex. Des opérations du même genre furent effectuées en Europe ; des expérimentations eurent ainsi lieu en France en 1966. Mais ces applications, souvent réalisées à titre d'essai (planches expérimentales), furent généralement considérées comme insuffisamment au point, onéreuses et non indispensables malgré l'essor important des travaux publics durant la décennie 60. Les travaux de construction routière furent réalisés à cette époque avec des bitumes purs.

Années 1970 : les bitumes polymères

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Vers 1965, des brevets furent déposés pour promouvoir l'utilisation du soufre, additionné en quantités importantes dans le bitume ou dans les matériaux à enrober. Ces études furent reprises en 1973 au moment de la première crise pétrolière, à la suite de l'augmentation importante du prix du bitume à cette époque. Ceci permit de réaliser des enrobés présentant une assez forte rigidité à partir de granulats de qualité secondaire ; ce procédé ne se serait montré économiquement viable qu'avec un coût du soufre au minimum deux fois inférieur à celui du bitume, ce qui ne s'est pratiquement pas présenté.

Le développement significatif des liants modifiés ou comportant des additifs, avec des processus industrialisés et maîtrisés, peut être situé dans les années 1970. En Europe, et particulièrement en Allemagne, des applications d'enrobés au bitume polymère voient le jour au début des années 1970. En Autriche puis en Italie, apparaissent sur chaussée autoroutière de nouveaux revêtements bitumineux à base de polyéthylène introduit au niveau du malaxeur.

En France, la recherche de revêtements adaptés aux tabliers métalliques de ponts aboutit à la mise au point de liants polymères spéciaux avec une première mise en œuvre sur le viaduc de Caronte en 1972.

Pour lutter contre le ressuage : les élastomères thermoplastiques

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L'objectif d'amélioration de la sécurité sur les routes par le biais d'un accroissement de l'adhérence des couches de roulement allait être un élément important de stimulation des recherches à cette époque. Les enduits superficiels présentaient alors plusieurs défauts, celui de souvent ressuer (du fait de l'utilisation de bitumes mous du type 180/220 comme base), d'être fragiles l'hiver, de subir un vieillissement précoce, et surtout d'être généralement peu résistants à l'usure sous trafic lourd. Les recherches conduites par les laboratoires pétroliers et certains organismes comme le Laboratoire Central des Ponts et Chaussées permirent alors la mise au point de bitumes modifiés adaptés aux applications routières avec de nouveaux polymères, les élastomères thermoplastiques.

Des chapes d’étanchéité résistantes aux variations de températures

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Parallèlement, l'industrie de l'étanchéité s'intéressait également à l'apport des bitumes polymères, ici fortement modifiés : des bitumes élastomères de type SBS en France et en Allemagne, des bitumes plastomères principalement en Italie et en Belgique. Il s'agissait alors de constituer des chapes capables de suivre les mouvements de dilatation – contraction des isolants thermiques (nouvellement apparus dans cette industrie pour satisfaire aux besoins d'économie d'énergie) sur lesquels elles devaient reposer.

Des systèmes monocouches plus économiques

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Par ailleurs, les liants modifiés permettaient de constituer des systèmes monocouches (donc plus économiques) en substitution des systèmes multi-couches à base de bitumes oxydés. Après des recherches ayant débuté à la fin des années 1960, le passage progressif de l'industrie de l'étanchéité vers les liants modifiés s'est renforcé vers la fin des années 1970, entraînant du même coup une accélération de la mise au point de liants modifiés pour la route, d'abord pour les enduits dits « améliorés » comme vu précédemment puis pour les mélanges enrobés.

Années 1980 : les bitumes modifiés et les additifs

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L'augmentation de l'agressivité du trafic routier et d'autre part les crises pétrolières de 1973 puis de 1979 ont constitué des facteurs essentiels du développement des liants modifiés. En effet, la recherche d'économies sur les travaux de construction (comme vu précédemment pour le bâtiment mais également dans le domaine routier) a conduit à rechercher des solutions innovantes en particulier dans le domaine de l'entretien des couches de roulement avec des revêtements d'épaisseur réduite (inférieure à 5 cm) et de plus grande durabilité.

Les techniques minces

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Le développement de bitumes modifiés par des polymères et de l'emploi d'additifs est intimement lié à la mise au point de nouvelles formules d'enrobés bitumineux de couches de surface en faible épaisseur, offrant de meilleures performances sur le plan de la qualité d'usage et de la durabilité.

C'est tout un ensemble de techniques de chaussée qui s'industrialisera dans les années 1980 :

  • les bétons bitumineux minces ou BBM (3 à 4 cm) pour lesquels les bitumes modifiés ont permis l'utilisation sur des supports dégradés et déformables, ce qui n'était pas réalisable durablement avec un bitume pur.
  • les bétons bitumineux très minces ou BBTM (2 à 3 cm) est issu de la recherche de solutions d'entretien de surface en couche la plus mince possible sur des chaussées neuves ou déjà renforcées et en bon état structurel, et adaptées à des trafics poids lourds élevés,
  • les béton bitumineux ultra-minces ou BBUM (1 à 2 cm), ont suivi de près les BBTM, cette technique assurant en quelque sorte une transition entre les enduits superficiels et les revêtements en enrobés.

Le splitt Mastix asphalt

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L'utilisation, avec ces formules d'enrobés fortement discontinues, de liants modifiés et d'additifs, fibres en particulier (d'abord amiante, puis fibres végétales ou minérales) allait permettre d'accroître la teneur en liant sans ressuage, de donner la cohésion voulue au mélange et d'assurer l'imperméabilisation du support. Durant la même période, l'ajout de fibres allait permettre l'essor de la technique du Splitt Mastix Asphalt, en Allemagne puis dans d'autres pays.

Les enrobés drainants

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Bien que les premières réalisations d'enrobés drainants aient été faites avec des bitumes purs dans de nombreux pays et que les bitumes purs restent souvent employés pour cette application sous trafic modéré, l'emploi de bitume modifié (bitume-caoutchouc ou bitume polymère) s'est généralisé pour les chaussées fortement circulées et autoroutières.

Les chapes d’étanchéité

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Une autre application des liants modifiés est celle des membranes anti-fissures et des chapes d'étanchéité. Pour traiter les remontées de fissures qui sont apparues dans les chaussées dont les couches d’assises ont été traitées aux liants hydrauliques, construites essentiellement en Allemagne et en France.

Les membranes

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Les liants modifiés sont maintenant largement employés pour la constitution de couches intermédiaires minces et de membranes destinées à retarder la remontée des fissures du support à travers la nouvelle couche de surface. De même, les bitumes modifiés sont largement utilisés pour les chapes d'étanchéité d'ouvrages d'art du fait de leur aptitude à résister aux allongements élevés supportés par les revêtements de surface de ce type de construction.

Années 1990 : les bitumes spéciaux

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Les enrobés à module élevé (EME et BBME)

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L’emploi de liants modifiés a aussi été envisagé en matériau d'assise de chaussée du fait de l'amélioration qu'ils apportent à la résistance en fatigue. Mais l'avantage économique recherché par une réduction sensible d'épaisseur a plutôt conduit à l'emploi de bitumes durs afin d'atteindre des modules de rigidité élevés. Ces bitumes dits « spéciaux » (de pénétration 10/20, 15/25, etc.) se sont avérés pour cette application plus économiques que les bitumes modifiés malgré la nécessité d'une teneur en liant forte pour assurer une bonne résistance en fatigue. Ils ont permis de constituer les Enrobés à Module Élevé (EME) et les Bétons Bitumineux à Module Élevé (BBME).

Enfin, les préoccupations d'orniérage de la couche de surface, face à un trafic poids lourd croissant et plus agressif ont amené l'invention et le développement, ces dernières années, de bitumes spéciaux de type multigrade, de pénétration semi-dure (40/60, 60/80...). Ces bitumes spéciaux présentent une moindre susceptibilité thermique que les bitumes purs de même pénétration à 25 °C, ils ont ainsi une rigidité plus grande aux températures élevées et une moindre fragilité aux basses températures que les bitumes purs durs.

Les enrobés colorés

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C'est également vers la fin des années 1980 que seront mis au point les liants de synthèse pigmentables permettant la réalisation de revêtements de chaussée de couleurs variées, ce qui apporte de nouvelles solutions pour les aménagements urbains et de sécurité.

Années 2000 : les enrobés économes en énergie

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Dès 2000-2001, la tendance à la recherche d'enrobés économes en énergie apparaît :

Les enrobés à l'émulsion

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Les études débutent avec la réalisation de chantiers expérimentaux utilisant un procédé à l'émulsion de bitume. Ce type d'enrobés est en fait pour l'instant destiné à la réalisation de couches de roulement minces sur des chaussées de trafic faible à moyen. Son domaine standard est l'utilisation en mono-couche de reprofilage ou de roulement avec une épaisseur moyenne de 3 à 4 cm. Il est caractérisé par des formulations en granulométrie 0/10. Son utilisation doit être quasi immédiate après la fabrication.

Les enrobés tièdes

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Les enrobés à basses températures ou enrobés tièdes sont fabriqués à une température de 125 °C, inférieure de 40 °C à la température classique de fabrication des enrobés. Ils sont étendus à la température de 120 °C et le compactage s'effectue à moins de 100 °C. Cette réduction de 40° entraîne une très forte réduction de toutes les émissions observées. Mais probablement qu'un abaissement de température plus important peut être recherché.

Classification

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Citerne calorifugée (à 67 °C) à bitume routier.

Une classification des liants est donnée dans la norme européenne EN 12-597. On différencie d'abord les liants bitumineux, qui regroupent des liants ou mélanges de liants et de granulats qui contiennent du bitume, et les liants à base de goudron. Les liants bitumineux sont ensuite classés selon l'origine du bitume : naturelle ou dérivée du pétrole. Les liants bitumineux issus du pétrole sont quant à eux différenciés selon leur structure :

  • bitume pur ;
  • bitume fluidifié, bitume additionné d'un diluant ;
  • bitume fluxé, bitume additionné d'une huile de fluxage ;
  • bitume modifié : bitume dont les propriétés rhéologiques ont été modifiées pendant la fabrication par l'emploi d'un ou plusieurs agents chimiques ;
  • émulsion de bitume ;

et selon leur usage :

  • bitume routier : bitume utilisé pour l'enrobage des granulats destinés à la construction et l'entretien des routes et des structures assimilées ;
  • bitume industriel : par opposition au précédent, bitume servant à d'autres usages que la construction et l'entretien des routes et des structures assimilées.

Goudron de houille

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Le goudron de houille appelé goudron ou goudron a la résine de pin[réf. nécessaire] est utilisé dans les chantiers d'autoroute ou de circulation carrossable. Il est utilisé pour son adhésivité et son pouvoir filtrant.

Types de bitumes

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Bitume naturel

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Le bitume existe à l’état naturel sous forme de résidu d’anciens gisements de pétrole dont les éléments les plus légers ont été éliminés au cours du temps par une sorte de distillation naturelle. Il est extrait soit à ciel ouvert (les gisements se présentent alors comme de véritables lacs), soit sous forme de filons en sous-sol. Le plus connu de ces bitumes naturels est le bitume de Trinidad qui relève du premier type de gisement.

La production mondiale est très faible puisqu’elle ne dépasse pas 200 000 t.

Les bitumes naturels ne sont guère utilisés que comme ajouts pour certaines utilisations particulières, compte tenu de leurs caractéristiques spécifiques (aptitude à être colorés, effet stabilisateur pour les asphaltes coulés, etc.).

Le bitume de Trinidad épuré est extrait par raffinage, il contient une partie minérale, sa masse volumique est voisine de 1,40 g·cm-3, 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 °C et 78 °C).

Poudre de Trinidad 50/50 :
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·cm-3, la pénétration standard est voisine de 0 (1/10 mm) et la température bille-anneau supérieure à 150 °C. Le dosage varie de quelques pour cent à 10 % des granulats secs.

Asphalte naturel

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L’asphalte naturel est constitué par une roche calcaire imprégnée d’hydrocarbures lourds (jusqu’à 20 %).

L’asphalte naturel entre traditionnellement dans la composition de l’asphalte coulé. Il peut également être utilisé comme appoint dans les enrobés auxquels il apporte du liant et des fines.

Bitumes de pétrole

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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 fluidifiés et fluxés

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Bitume fluidifié

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Un bitume fluidifié, ou cut back, est un bitume dont on a réduit la viscosité en lui ajoutant un diluant assez volatil (du pétrole ou du kérosène par exemple).

Bitume fluxé

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Un bitume fluxé est un bitume dont la viscosité a été réduite par l'ajout d'une huile de fluxage.

Bitumes modifiés

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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.

Bitumes-polymères

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Polyéthylène

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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 %.

Ils se présentent sous forme de granulés incorporés lors du malaxage du mélange.

Bitumes pigmentables

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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 bitumineux avec charges minérales

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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.

Émulsion de bitume

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Une émulsion de bitume est un mélange de bitume et d'eau en suspension.

Bitumes spéciaux

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Les bitumes spéciaux, c'est-à-dire hors spécifications applicables aux bitumes purs de distillation directe et devant satisfaire à des exigences particulières, ont été déclinés pour constituer une famille de produits très segmentée :

Bitumes purs pour Enrobé à Module Élevé (EME) ou Béton Bitumineux à Module Élevé (BBME)

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Bitumes anti-orniérants

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Bitumes multigrades

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Liants clairs et pigmentables

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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.

Les pigments organiques fournissent des nuances variées et très lumineuses, mais présentent une instabilité à la lumière et aux températures élevées.

Les colorants utilisés en technique routière sont des pigments minéraux qui ont fait preuve de thermostabilité lors de la confection à chaud des revêtements bitumineux, de résistance aux intempéries ainsi qu'à la lumière (UV).

Les plus courants sont les oxydes métalliques suivants :

  • les oxydes de fer de couleur rouge, jaune ou grise ;
  • le chromate de plomb jaune clair (toxique) ;
  • l'oxyde de chrome de couleur verte (toxique) ;
  • l'oxyde de cobalt de couleur bleue (très coûteux);
  • l'oxyde de titane de couleur blanche (coûteux).

Bitume antikérosène

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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).

Bitumes émulsionnables

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Bitumes pour enrobés à température réduite

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Bitumes composés

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Bitume-caoutchouc

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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·cm-3.

Bitume-fibres

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Les fibres peuvent être mélangées au liant préalablement ou introduites dans le mélange à sec ou encore après 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·cm-3 et leur surface spécifique théorique est de 0,3 m2·g-1 ;
  • 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 50 pm. 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·cm-3 et leur surface spécifique théorique est de 0,16 m2·g-1 ;
  • 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·cm-3 et leur surface spécifique théorique est de 0,6 m2·g-1 ;
  • 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.

Bitume-soufre

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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.

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, etc.) 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.

Essais pour la caractérisation des liants

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On distinguera :

  • les analyses physico-chimiques ;
  • les 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.

Notes et références

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Références

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  1. « liant hydrocarboné », sur vitrinelinguistique.oqlf.gouv.qc.ca (consulté le )

Liens externes

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Bibliographie

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