les bitumes et les enrobés

7/23/2019 Les Bitumes Et Les Enrobés

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Objet de la réunion et la date de réunion + lieu + nomde la personne qui présentera

1 R. BodetCours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur1, caractère 12, orange

Les bitumes et les

enrobés

Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur



2 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Définitions

La fabrication des bitumes

Le marché des bitumes

Structure et composition des bitumes

Caractéristiques des bitumes

Les utilisations des bitumes

Les émulsions

Les produits spéciaux

Les applications des enrobés bitumineux

Sommaire




Les bitumes routiersIls relèvent de la norme française NF EN 12 591

Les enrobés bitumineux :

Centrales d’enrobage -> thèse Parhanos (p 26, p 74) Constitués à minima de 2 constituants principaux :

granulats liant

Définition, classification, caractéristiques, fabrication et mise en œuvre NF EN 13108-1 enrobés bitumineux (2008) NF EN 13108-21 Contrôle production en usine (2003) NF P 98-150 exécution des corps de chaussée, couches de liaison et

de roulement (1992)

Les bitumes et enrobés bitumineux




Le bitume

définition &composition

Le bitume peut être d’origine naturelle ouartificielle

Liquide visqueux ou solide de couleur trèsfoncée

Mélange complexe d’hydrocarbures naturelsnon volatils de poids moléculaire élevé, (groupedes aliphatiques à chaînes linéaires ou ramifiées,naphténiques ou cycliques et saturés)

Contient en moyenne 80 à 85 % de carbone, 10 à15 % d’hydrogène, 2 à 3 % d’oxygène, du soufreet de l’azote (quantité faible) et divers métauxà l’état de traces.




bitume naturel origine : pétrole qui s'est polymérisé, en contact de

certaines argiles

longtemps utilisé comme liant (ex : en Judée pourliaisonner des briques) les bitumes naturels renferment de 50 à 60 % de

bitume pur exploitation :

- à l’état naturel sous forme suintante : Clermont-

Ferrand, Venezuela, Mexique, Albanie…- ou en imprégnation dans des roches poreuses

(Madagascar, Pont-du-Château en France…)

Les bitumes naturels (rares)

asphalte roche poreuse argilo-calcaire imprégnée d’environ 6 à

25 % de bitume pur (Ile de la Trinité). en France : schistes bitumineux ou calcaires

asphaltiques renfermant de 8 à 10 % de bitumenaturel (région d‘Autun).

Gisement bitumeux au Puy de

Poix (Clermont-Ferrand),

Produits utilisés aujourd’huicomme additifs pourenrichir le bitume.




Le goudron de houille, appelé aussisimplement goudron, est un sous-produitde la transformation de la houille (roche

carbonatée sédimentaire = type decharbon) en coke par distillation. Lebitume est un terme utilisé pour lesgisements naturels de « goudron » depétrole.

C’est un liquide noir et visqueux

Il est composés de centaines desubstances chimiques, dont plusieurssont considérées comme cancérigènes

ou potentiellement dangereuses. Utilisation en liant bitumineux interdite en

France depuis le début des années 2000.

Le goudron (désormais interdit)

brai de houille obtenu par distillationdu goudron




Avantages• souples• plastiques• très adhérents• imperméables à l'eau et à l'air

• inattaquables par les acides

• fluage• ramollissement à la chaleur• faibles résistances mécaniques• vieillissement dans le temps

Inconvénients

• techniques routières

• voirie urbaine• sols• étanchéité (ouvrages hydrauliques, ouvrages d'art, fondations,

toitures-terrasses…)

Propriétés des bitumes et leurs applications

Applications




Le marché du bitume




Le bitume constitue la partie laplus dense et la plus visqueusedes bruts à bitume issus depétrole brut.

Seuls 10 % des 1 300 bruts àbitume existants dans le mondesont choisis par les pétrolierspour la fabrication du bitume.

Fabrication du bitume




Les caractéristiques des bruts de pétrole




S'obtient par chauffage et distillation sous vide dubrut de pétrole (rendement de 20 à 70 % de bitume)

Il existe des bitumes de différentes duretés : demi-dur fabrication d’enrobés denses tels

que les bétons bitumineux

demi-mou fabrication des émulsions

mou (cut-backs) bitume fluidisé par ajout decertaines huiles (produits utilisablesaprès un léger chauffage)

Selon la méthode de fabrication du bitume(distillation ou désaphaltage au solvant), on obtientdes bitumes de pénétrabilité plus ou moins élevée(une des propriétés fondamentales des bitumes).

fabrication





Désasphaltage au solvant

Séparation physique des constituants dupétrole en différentes fractionsbitumineuses par solubilité dans certainssolvants (butane, propane…). on obtient différentes classes debitumeLe bitume ainsi obtenu est appelé bitumePPA (Propan-Precipited-Asphalt).


Distillation atmosphérique

Le brut de pétrole préalablementdécanté et dessalé est porté àune température ~ 340 °C dansun four, puis est envoyé dansune colonne de distillationatmosphérique. Le produitrécupéré en fond de colonne estle brut réduit.

Distillation sous-vide

Le brut réduit est réchauffé ~400 °C, puis est envoyé dansune colonne à pression réduite àquelques dizaines d’hPa(10hPa= 0,01 bar).Possibilité de fabriquerdirectement toutes les classesde bitumes du 20/30 au 160/220.

Le bitume estobtenu en deuxétapes successives :-fractionnement dupétrole brut pardistillationsatmosphérique et

“sous-vide”

- soufflage et/oudésalphatage




Structure du bitume

Les bitumes sont des mélanges d'hydrocarbures a poids moléculaire élevé pouvantappartenir aux trois groupes suivants :

• aliphatique

• naphténique• aromatique

L’utilisation, comme solvant sélectif, d'un hydrocarbure léger en grand excès, permet defractionner un bitume en deux parties:

• la partie dissoute : les maltènesayant l'aspect d'une huilevisqueuse de couleur foncée

• la fraction précipitée :les asphaltènes, constituée pardes corps de poids moléculairetrès élevé se présentant sous la

forme d'une substance solideet noirâtre




La structure moléculaire des bitumes est très complexe.Bitume = huile (liquide visqueux de maltène) contenant des agglomérats d’asphaltènerenfermant eux-mêmes des micelles (groupes de chaines carbonées= carbènes)

Structure du bitume (suite)

Les asphaltènes peuvent être plus ou moins floculés, ce qui explique que le bitumepuisse se comporter comme un gel et présenter les caractéristiques des liquides non-

newtoniens.

(maltène)

(asphaltène)

(carbène)




Composition des bitumes

Solvant de séparation Maltènes Asphaltènes Carbènes

Sulfure de carboneCS2

soluble

Tétrachlorure decarbone CC14soluble insoluble

Heptane ou éther depétrole (C5H12)

soluble insoluble

Effet sur lespropriétés du liant

plasticité

(carbureslinéaires)

stabilitéadhérence(carburescycliques)

antiémulsifiantfragilité

Bitume(%)

naturel 70 30 0,5

artificiel 60 - 80 20 - 40 1 - 2

Les bitumes renferment des produits variés (maltènes, asphaltènes, carbènes) qui jouent chacun leurs rôles. Ils sont identifiables après dissolution dans certainssolvants spécifiques ou par chromatographie.




Les caractéristiques du bitume

le bitume peut être considéré comme un corps viscoélastique

sauf aux basses températures : comportement élastiqueou aux températures élevées : comportement visqueux

avantages inconvénients• souple• plastique• très adhérent• imperméable à l'eau et à

l'air• inattaquable par les acides

• fluage• ramollissement à la chaleur• faibles résistancesmécaniques

• vieillissement dans letemps




Caractéristiques fondamentales des bitumes :

La duretéElle est mesurée au moyen de :

l’essai de pénétrabilité à l’aiguille

l’essai de température de ramollissement (essai bille-

anneau)

Autres caractéristiques importantes viscosité masse volumique susceptibilité à la température et au vieillissement cohésivité élasticité

Caractéristiques des bitumes




La pénétrabilité est un indicateur de la consistance du bitume auxtempératures ambiantes.

L’essai de pénétrabilité à l'aiguille est utilisé lorsque :

le produit est très visqueux (brais, bitumes non fluidifiés) les essais d'écoulement (viscosité) sont difficiles ou

impossibles à réaliser,

On mesure au 1/10 de mm la profondeur d'enfoncement d'une aiguillede 1 mm de diamètre au bout de 5 secondes.

Le poids de l'équipage mobile est de 100 g et la température de 25° C.

La profondeur de l’aiguille varie selon la classe de pénétrabilité, entre2 et 30 mm.

Les conditions d’essais peuvent également être les suivantes :

Essai de pénétrabilité à l’aiguille

Charge (g) Temps (secondes) Température (°C)

200 60 0100 5 25

50 5 45




TBA = température à laquellela matière bitumineuse del'anneau chargé par la bille

touche le fond du récipient.Le produit noir est placé dansun récipient contenant de l’eauet 2 anneaux en laiton d'undiamètre intérieur de 16 mm

supportant 2 billes d'acier(φ9,5 cm de diamètre; masse :3,5 g).

Ces anneaux sont situés à 25mm du fond du récipient.Le récipient d’eau est chaufféà raison de 5° C/min.La gamme de température sesitue entre 30°C et 100°C.

Essai de ramollissement

bille/anneau




Pénétrabilité =f (température deramollissement bille-

anneau)




Masse volumique

bitumes naturels : 1,3 < ρ < 1,4 bitumes artificiels : 0,95 < ρ < 1,05

Spécifications sur les caractéristiques de

fabrication des bitumesPénétrabilité et Point de ramollissement TBA




Elle est déterminée d'après le temps d'écoulementque met un certain volume de produit noir an travers

d'un orifice calibré à l’aide des appareils suivants :

viscosimètre BRTA

- diamètres des orifices :

La viscosité = f( temps d'écoulement ensecondes de 50 cm3 de produit noir à 25° C)

Viscosité

4 mm pour les goudrons 10 mm pour les bitumes et les cut-backs.

viscosimètre de ENGLER- pour les produits plus fluides comme les émulsions.- diamètre orifice de 2,8 mm de diamètre ;

viscosité = f(temps d'écoulement en secondes de 100 cm3 de produit à 20° C).

Autres caractéristiques de fabrication

des bitumes




Viscosité (suite)


des bitumes




Le produit bitumineux réchauffé sert à remplir un moule en laiton en 2 parties,

l'une fixe et l'autre mobile. On tire l'éprouvette soumise alors à un effort detraction, à raison de 5 cm/min à la température de 25 °C. On notel'allongement à la rupture en cm.

C'est un essai de perte de masse pour les produits bitumineux sans eau.On opère par chauffage à 163 °C pendant 5 heures dans une étuveventilée. Cette perte de poids ne devra pas dépasser par exemple1 % dans le cas des produits d'étanchéité.

Sensibilité au vieillissement

Ductilité


des bitumes




Variation de E = f(tempsd'application de la chargeet de la température).

Module d'élasticité longitudinal E


des bitumes




Relaxation

Permet de caractériser le comportement réel des chaussées souples.

corrélation entre module d’élasticité du bitume et module de relaxation del'enrobéLe module de relaxation peut varier de 1 000 daN/cm2 à 200 000 daN/cm2.Exemple : enrobé ayant un module de 10 000 daN/cm2 :

déformation instantanée = 2 %° sous une σtraction = 20 daN/cm2

Coefficient de PoissonLe coefficient de Poisson dans un essai de relaxation varie de 0,3 à 0,5.

Fluage il est lié au comportement viscoélastique du matériau bitumineux il est à considérer lorsque les chaussées se déforment d'une façonpermanente sous l'effet des charges. (ex : parcs de stationnement, pointsd'arrêt, zones â trafic lourd = orniérage bien connu).


des bitumes




Données pratiques

C té i ti li é d




Une spécification a pour but de fixer une ou des limites pour unecaractéristique donnée. La caractéristique est mesurée en laboratoire enappliquant une méthode d’essai normalisée

Caractéristiques normalisées des

bitumes routiers




Caractéristiques normalisées des

bitumes oxydés et industriels




Classes de bitume en fonction de la pénétrabilité

Classes de bitume françaises

Catégorie Classe depénétrabilité(dureté)

Application

bitumes durs 20 / 30

Techniquesroutières

30/ 50bitumes demi-durs 50/70

70/100

bitumes demi-mous 100/160

160/220bitumes mous 280/300 Travaux

d’étanchéitébitumes très mous 300/350




Les bitumes spéciaux sont fabriqués de manière à leur conférer despropriétés particulières les rendant aptes à certaines exigences plusrigoureuses imposées pour des applications routières ou industriellesspécifiques. Parmi ceux-ci, on trouve les bitumes durs et les bitumes

multigrades.

Les bitumes modifiésbitumes dont les propriétés rhéologiques ont été modifiées pendant lafabrication par l’emploi d’un ou de plusieurs agents chimiques.

bitumes modifiés par des polymèresce sont des bitumes purs pour lesquels le modificateur utilisé est un ou plusieurspolymères organiques.

• ajout de certaines résines pour améliorer :

l’élasticité : 30 à 40 % d'allongement possible

la résistance à la fatigue, au poinçonnement, au vieillissement, à la T°• ils peuvent être chargés avec des fillers, de petits granulats, de ciment, caoutchouc,

liège, poudre d’alumine…• ils peuvent être armés avec des fibres de verre, de polypropylène...• utilisation comme mastics ou en projection

Les utilisations des bitumes (suite)




Les applications nécessitent des moyens de mise en œuvreet de stockage adaptés

Applications des bitumes




Applications des bitumes

• techniques routières

• voirie urbaine

• sols industriels

• étanchéité (ouvrages hydrauliques, ouvrages d'art,fondations, toitures-terrasses…)




Structure d’une chaussée

Application en techniques routières

Routes, autoroutes et aérodromes




On utilise : les graves-bitume (ou graves-émulsion) pour les couches de base ou de

fondation des assises de chaussées les bétons bitumineux (ou enrobés bitumineux) pour la couche de

roulement du bitume pur en couches

d’accrochage


Caractéristiques importantes: propriétés rhéologiques adhérence module d’élasticité

Caractéristiques fonctiondu temps d'applicationdes charges et de latempérature

Application en techniques routières (suite)




La nature du bitume et les teneurs en bitume et en filler jouent un

très grand rôle dans le comportement des matériaux bitumineux.Les enrobés bitumineux : 80-92% de granulats, 3 à 9 % de bitume et 5 à 10 % de filler

– Les graves-bitume = 86-92% de granulats, 3 à 4,5 % de bitume et 5 à 8 % de filler;granulats Dmax = 20 mm dans le cas de couche de base et 31 mm pour la couche de fondation.

– Les enrobés bitumineux traditionnels (BBSG, BBME, BBS): forte teneur en granulats

concassés (Dmax = 10 mm voire 14 mm) – Les bétons bitumineux fins (BBM, BBTM, BBUM) : Dmax granulats = 5 mm

– Les bétons bitumineux drainants (BBDR) : déconseillés dans les régions de grand froid(chaussées très incertaines en hiver)

– Les enduits superficiels (ESU) : couche de liant suivie d’un simple ou double gravillonnage

2/4, 4/6, 6/10 ou 10/14 mm (1 couche = réseaux de faible et moyen trafic ; 2 couches = tousréseaux); a connu son apogée dans les années 70-80 (300 Mm2/an)

– Les enrobés coulés à froid (ECF) : enrobé en mono ou bi-couche constitué d’une émulsionau bitume pur (faible trafic) ou modifié (tous réseaux), d’un tensio-actif, d’une addition et degranulats 0/6 (le plus utilisé) ou 0/8 mm + éventuellement de fibres (meilleure cohésion etrésistance mécanique).






Importance de la couched’accrochage :

assurer le collage desdifférentes couches entre elles.

transmettre les contraintesmécaniques induites par les

véhicules depuis la couche desurface jusqu’à la couche debase.

• posée sous forme d’émulsionréalisée à partir de bitumes purs

ou modifiés par des polymèresexempts de tout fluidifiant oude fluxant afin de conserver uneconsistance suffisante.


En couche d’accrochage




• bitume + granulats• le solide ainsi obtenu

possède des forces decohésion internes

rigidité, viscosité

résistance encompression

résistance en traction,cisaillement…

Dans les bétons bitumineux





D'après le mode de fabrication, on distingue : les enrobés à chaud : liant chauffé à 130-160° C

les enrobés à froid : grâce à l'utilisation de bitume fluxé, fluidifié oud'émulsion de bitume.

Production en centrales continues ou discontinues de 200 à 300 tonnes/heure.

Le matériau est répandu, nivelé, compacté.

Les épaisseurs des différentes couches sont fonction :

des matériaux, de la nature du sol de l'importance du trafic


Qu’entend-on par enrobé ?




Les émulsions de bitumepour ECF

Dispersion dans de l'eau deglobules sphériques de 2 à 20 µmde diamètre (entre 60 et 70 % debitume dans une émulsion)

Très utilisées en techniqueroutière (formulations suivantl’utilisation, la techniqued’épandage, le matériel utilisé et

les conditions climatiques) Les plus grosses unités de

production fabriquent plus de 50000 tonnes d'émulsions par an.





Les émulsions de bitume (suite) caractéristiques

elles dépendent de la viscosité, l’homogénéité, la teneur en eau, lagranulométrie, la stabilité (au stockage ou vis à vis des granulats utilisés),

le pH, la vitesse de rupture, l’adhésivité des bitumes... lors de l’épandage de l'émulsion, l'eau s'évapore, l'émulsion se rompt et il

se forme un film continu par rassemblement des globules de bitume

applications

enduit de cure superficiel (protection des sols-ciment en pulvérisation~800 g/m2)enduit d'usure ou de roulement :un sablage ou un gravillonnage est réalisé après répandage de l'émulsion

réparations stabilisation des sols fabrication des graves-bitume pour

couches de base et de fondation desassises routières.


Applications en voirie urbaine et sols




On utilise surtout l'asphalte coulé à chaud (cas des trottoirs des villes) à 230-250°C.L'application se fait mécaniquement on manuellement (par manque de place). On coule

souvent 2 couches de 2,5 cm d'épaisseur. Le durcissement est rapide et les surfacesfaciles à réparer.

Voirie urbaine

Plusieurs solutions possibles : asphalte coulé (comme précédemment) avec éventuellement

incorporation de granulats colorés béton bitumineux (à chaud) on émulsion bitumineuse (à froid)

revêtements préfabriqués :• dalles de 50 a 50 cm (épaisseur 8 à 12mm) en asphalte coulé mises enplace par réchauffage et collage

• carreaux d'asphalte comprimés de 10 a 20 on 20 : 20 cm (2 à 6 cmd'épaisseur) posés d'une façon traditionnelle sur bain de mortier

Sols industriels

Applications en voirie urbaine et sols

industriels




Etanchéité (toitures-terrasses) et travaux hydrauliques(revêtements de canaux, digues, barrages, réservoirs…)

Utilisé en supports ou membranes enrobés de produits bitumineux : matériaux soumis à des efforts alternés (fatigue) bonnes résistances au poinçonnement et à la fatigue

stables, non fissurables, indépendants du support

produits fabriqués par imprégnation d'une feuille par du bitume,éventuellement fillérisé et adjuvanté.

nature du support = carton feutre, toile de jute, toile de verre… produits livrés en rouleaux pour chapes souples

feuilles revêtues en surface de granulats minéraux fins colorés(brevet datant de 1863) ou de cuivre ou d'aluminium de 0,08 ou0,16 mm d'épaisseur

Les utilisations des bitumes (suite)

Applications des enrobés bitumineux




Principes à respecter :

réaliser si possible l'étanchéitédu côté de l'eau de façon que la

pression l'applique sur la paroi. il ne sert à rien de protéger une

toiture-terrasse correctementsi, par ailleurs, des dispositionsne sont pas prises pour assurer

en permanence l'évacuation deseaux.

On emploie :

des produits en masse pour

enrober des étanchéitésmulticouche : mastics d'asphalte,asphalte coulé, cimentvolcanique...

des produits en feuilles

Travaux d’étanchéité






Travaux d’étanchéité (suite)






couvertures par bardeauxbitumée

mastic à base de brai de pétrolepour la réparation des fissures

peintures à base de bitume depétrole et de solvant pouvantêtre armée de fibres(protection des ouvragesmétalliques, du béton en milieu

agressif, en fondation pour lescanalisations enterrées)

peintures à base de goudronspour protection des pieux enbois

Autres utilisations en travauxd’étanchéité ou sur ouvrageshydrauliques


les bitumes et les enrobés

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