V. Mouillabilité des substrats minéraux par les émulsions de bitume et adhésion
V.5. Détermination des travaux d’adhésion émulsion/substrat poli à partir des
mesures d’angles de contact
adhésion émulsion/substrat
(
+ θ)
γ
= 1 cos
Wadh L équation V.2
où γL est la tension superficielle de l’émulsion et θ est l’angle de contact mesuré à l’équilibre. Les valeurs de travaux d’adhésion selon la nature pétrographique du substrat poli sont représentées sur la Figure V.16, tandis que ces mêmes valeurs selon la nature de l’émulsion sont regroupées sur la Figure V.17. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Gneiss Diorite Calcaire Quartzite
T ra v a il d 'a d h é s io n ( m J /m ²) . E1 E2 E3
Figure V.16 – Travail d’adhésion en fonction de la nature pétrographique du substrat poli.
Les travaux d’adhésion observés pour les systèmes émulsion/gneiss et émulsion/diorite sont semblables. Les valeurs les plus élevées sont observées lorsque le substrat est du calcaire ou du quartzite. Il est constaté que les valeurs sont toutes plus faibles que celles obtenues théoriquement à partir des énergies de surface et des tensions superficielles des émulsions (cf. Figure V.9).
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 E1 E2 E3 T ra v a il d 'a d h é s io n ( m J /m ²) .
Gneiss Diorite Calcaire Quartzite Cohésion
adhésion émulsion/substrat
Les travaux d’adhésion émulsion/substrat poli obtenus avec les émulsions E2 et E3 sont du même ordre de grandeur. Les valeurs obtenues avec l’émulsion E1 sont plus faibles. Cela tient du fait que sa tension superficielle est plus faible. Cette conclusion avait également été établie lors de l’approche théorique (cf. Figure V.10). Il est constaté que quels que soient le substrat et l’émulsion, les travaux de cohésion sont plus élevés que les travaux d’adhésion. Bien que ces travaux d’adhésion soient élevés, les émulsions semblent avoir plus d’affinité pour elles-mêmes que pour les substrats.
Sur la Figure V.16 et la Figure V.17, il est remarqué que les écarts-types sur les valeurs sont beaucoup plus faibles que ceux obtenus par calcul. En effet, l’erreur sur le travail d’adhésion exprimé à l’aide de l’équation V.2 ne dépend que de l’erreur sur la tension superficielle de l’émulsion et sur l’angle de contact, alors qu’elle dépendait dans l’approche théorique des erreurs sur les composantes dispersives et polaires des émulsions et des substrats.
Les tensions interfaciales ont été calculées à l’aide de l’équation V.1 (cf. Tableau V.8).
Tableau V.8 – Valeurs de tension interfaciale émulsion/substrat poli obtenues après essais d’angles de contact émulsion/substrat poli.
Gneiss Diorite Calcaire Quartzite
E1 21,9 ± 2,2 23,8 ± 3,7 30,2 ± 4,4 34,7 ± 6,2 E2 14,4 ± 3,3 18,0 ± 3,9 15,6 ± 3,4 26,0 ± 6,3 E3 12,5 ± 1,9 16,6 ± 3,6 13,4 ± 3,4 31,3 ± 6,2
En tenant compte des erreurs sur les valeurs, la tension interfaciale émulsion/quartzite est la plus élevée, et ce quelle que soit l’émulsion en présence. Pour une même émulsion, les tensions interfaciales sont équivalentes entre les substrats de gneiss, diorite et calcaire. Pour tous les substrats minéraux, le travail d’adhésion est plus fort en présence d’émulsion E1. Globalement, les valeurs trouvées sont supérieures à celles figurant dans le Tableau V.5. De plus, les erreurs sont moins élevées. En comparant les valeurs de tension avec celles des travaux d’adhésion, il est remarqué qu’un fort travail d’adhésion n’induit pas une tension interfaciale basse. Le quartzite et le calcaire en sont de bons exemples.
V.5.2. Conclusions
Les travaux d’adhésion trouvés à partir des mesures d’angles de contact émulsion/substrat sont élevés. Les plus fortes valeurs ont été obtenues avec les émulsions E2 et E3 en présence de calcaire et de quartzite. Les tensions interfaciales sont plus élevées que celles calculées précédemment (cf. Tableau V.5). Les résultats indiquent qu’un système émulsion/substrat ayant un travail d’adhésion élevé n’a pas forcément une faible tension interfaciale, et par conséquent une bonne affinité. Ces constatations mettent en exergue la nécessité de trouver le facteur qualifiant le
adhésion émulsion/substrat
réponse à cette question peut être obtenu en réalisant des essais empiriques caractérisant l’adhésion et l’enrobage d’une émulsion sur un substrat.
Conclusions du chapitre V
Les énergies de surface des substrats polis de gneiss, diorite, calcaire et quartzite ont été calculées au moyen de mesures d’angles de contact liquide de référence/substrat. Les résultats ont montré que le gneiss et la diorite ont des énergies de surface très proches alors que le calcaire et le quartzite ont des énergies de surface plus élevées. Le quartzite est le seul substrat pour lequel la composante polaire de l’énergie de surface est plus forte que la composante dispersive. Les composantes dispersives et polaires des émulsions sont équivalentes. Les données d’énergie de surface et de tension superficielle ont permis de calculer les travaux d’adhésion, les tensions interfaciales et les angles de contact théoriques émulsion/substrat poli. Les travaux d’adhésion sont les plus élevés pour les systèmes émulsion/quartzite et les tensions interfaciales sont basses. Les calculs indiquent que le mouillage de l’émulsion est total, quelle que soit la nature pétrographique du substrat. Ces résultats ont été comparés aux essais expérimentaux d’angles de contact émulsion/substrat. Ces essais ont mis en évidence un comportement particulier des émulsions lors du contact. Le profil de goutte de cette émulsion évolue dans le temps : il passe d’une forme sphérique à une forme aplatie. Ce phénomène est attribué à l’évaporation de l’eau au cours du temps. Les angles de contact émulsion/substrat trouvés ne sont pas nuls. Les mesures ont également permis de déterminer les travaux d’adhésion et les tensions interfaciales. Les travaux trouvés sont inférieurs à ceux calculés. Cet écart peut être dû à la méthode utilisée pour calculer le travail d’adhésion. Cependant, la même tendance est observée, c’est-à-dire que les systèmes émulsion/quartzite et émulsion/calcaire ont les travaux d’adhésion les plus élevés. Les tensions interfaciales obtenues sont plus élevées que celles calculées. La tension interfaciale la plus élevée est observée pour le système émulsion/quartzite. Il en est déduit qu’un travail d’adhésion élevé n’induit pas une tension interfaciale basse.
En travaillant avec des lames sciées, plus rugueuses que les lames polies, il a été constaté que les angles de contact liquide de référence/substrat et émulsion/substrat sont plus faibles que lorsque le substrat est poli. La rugosité favorise donc le mouillage. Cette constatation est en accord avec les données de la littérature dans le cas des substrats hydrophiles. Une exception toutefois a été observée avec le quartzite. Ceci peut être attribué à la présence de pores sur le quartzite à l’état poli. La comparaison entre les angles de contact apparents liquide de référence/substrat scié avec les angles liquide de référence/substrat poli a permis de conclure que le mouillage des substrats sciés suivraient une loi de type composite, c’est-à-dire un mouillage sur une surface rugueuse et hétérogène solide/air.
Tous les résultats obtenus en termes d’adhésion et de mouillage sont comparés dans le chapitre suivant aux résultats d’essais empiriques pratiqués dans l’industrie routière pour qualifier l’interface émulsion/substrat.