Evolution des enrobés bitumineux dans le temps

5.4.2.1 Phénomène du vieillissement thermique du liant hydrocarboné

Le vieillissement est un phénomène lié au degré de modification de la structure chimique du bitume. De par sa nature organique, le bitume est exposé à des phénomènes d’évolution et d’altération depuis sa production en raffinerie jusqu’au stade ultime de la vie de l’enrobé sur la chaussée en service, engendrant certains désordres de chaussées (USIRF, 2001). Ce phénomène peut également être influencé par la nature des granulats, certains types de granulat absorbant les fractions huileuses du bitume, ce qui provoque son évolution (Moustapha, 2009). L’évolution du bitume dans le temps se traduit par une augmentation de sa consistance (durcissement), il devient fragile ce qui peut entrainer des phénomènes de fissuration de surface, donc joue sur la durabilité du matériau (Cyna, 2006). Actuellement, c’est principalement le vieillissement thermique qui est étudié et simulé en laboratoire à l’échelle du liant bitumineux. Plusieurs méthodes de simulation de vieillissement sont utilisées pour simuler ce type de vieillissement. Ces méthodes sont détaillées dans les parties qui suivent.

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5.4.2.2 Le vieillissement photochimique

Ce type de vieillissement est peu étudié dans le domaine des matériaux de chaussées, mais classiques pour des polymères organiques type polymères ou tout matériau exposé aux UV du soleil. Pour simuler le vieillissement photochimique naturel à l’échelle du laboratoire, un photo-vieillissement artificiel accéléré, permettant d’augmenter la vitesse du vieillissement tout en gardant le même mécanisme réactionnel, peut être effectué (Fayolle et Verdu, 2005). La simulation du photo-vieillissement artificiel consiste à exposer un matériau, dans un dispositif de vieillissement en laboratoire (enceinte UV), à des conditions (principalement la température et l’humidité) qui peuvent varier (cycliques et amplifiées) par rapport à celles rencontrées lors d’une exposition en extérieur (Fayolle et Verdu, 2005).L’apport d’une grande quantité d’énergie hν cause l’oxydation violente du matériau. Ceci accélère les phénomènes d’oxydation et de polymérisation.

À l’échelle des matériaux bitumineux, les travaux de Mouillet et Dumas (2008) montrent que l’exposition aux rayons UV, d’un liant bitumineux de 10 µm d’épaisseur à une température de 60°C, engendre une oxydation plus violente que le vieillissement thermique seul (à la même température) (figure 5.1) (Durrieu F, Farcas F et V., 2007).

Figure 5.1 Comparaison du vieillissement du bitume à 60°C avec et sans exposition aux UV Tirée de Durrieu F, Farcas F et V. (2007)

5.4.2.3 Mécanisme du vieillissement thermique et photochimique d’un liant bitumineux

Le processus du vieillissement consiste en une absorption d’un photon. Cette absorption va transformer l’espèce absorbante dans l’état A à l’état excité [A]* (un niveau électronique d’énergie plus élevée). Cette transformation va donc conférer à la molécule une réactivité qu’elle n’a pas à l’état fondamental (Ramond et Such, 1990). Dans le cas des matériaux de chaussés, ce procédé se réalise en présence d’oxygène ; on parle alors de photo-oxydation.

Dans le cas d’une matière bitumineuse, l’oxydation photochimique ou thermique se traduit par une rupture des chaines de carbone qui la constituent, afin de créer des groupements carbonyles C=O ou bien des groupements sulfoxydes S=O. Lors de ce processus, on constate un approvisionnement en éléments cycliques (aromatiques) et une augmentation de la teneur en résine puis en asphaltènes (molécules les plus lourdes du bitume). D’une manière plus générale, lors de l’oxydation du bitume, de nouveaux sites plus polaires se créent. L’apparition

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des nouveaux sites pousse les molécules de bitume à s’organiser d’une façon plus structurelle (orientation préférentielles), ce qui engendre un durcissement du bitume. Les mécanismes de formation de ces groupements sont détaillés sur les Figures 5.2 et 5.3, (Ramond et Such, 1990).

Figure 5.2 Formation des sulfoxydes Tirée de Ramond et Such (1990)

Figure 5.3 Mécanismes radicalaires de formation des carbonyles Tirée de Ramond et Such (1990)

Pouvoir prédire l’évolution du comportement d’un bitume dans un enrobé, revient toujours à décrire son vieillissement: le vieillissement par oxydation chimique et le durcissement en fonction du temps. Il est donc impératif de préciser les principales évolutions d’un bitume.

Lorsque le bitume a atteint un niveau important de durcissement, il devient fragile ce qui se manifeste aux surfaces d’adhésion avec le minéral de l’enrobé et peut entraîner des phénomènes de fissuration de surface principalement par fatigue thermique. On distingue deux processus de vieillissement des bitumes (Tableau 5.1).

Tableau 5.1 Les deux processus de vieillissement des liants bitumineux Adapté de Lesueur (2002)

Le vieillissement physique Le vieillissement chimique

Une augmentation de la viscosité sans modification chimique des constituants

Modification de la composition chimique du bitume (augmentation de la teneur en Asphaltènes et création de liaison carboxyles C=O et sulfoxydes S=O au sein du bitume.)

Au cours de l’enrobage

• les granulats sont mis en contact avec le bitume chaud qui se répartit en film mince autour du granulat, favorisant ainsi un vieillissement du liant Sur site pendant la durée de vie de

l’enrobé

• c’est le vieillissement à long terme. Il dépend de la région, de la température et de la durée de sollicitation

5.4.2.4 Comparaison entre le vieillissement thermique et photochimique

Des travaux antérieurs (Mouillet et al., 2014) ont montré que, contrairement au vieillissement photochimique qui est un phénomène surfacique , le vieillissement thermique est un phénomène homogène à long terme. Les mécanismes des réactions d’oxydation ayant lieu au cours de ce vieillissement sont alors les mêmes à la surface qu’au fond du liant bitumineux. Le vieillissement photochimique est un phénomène de surface ; en effet, les rayons UV ne

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pénètrent que quelques micromètres au sein d’un matériau. Les réactions d’oxydation se produisent principalement à la surface du bitume. La vitesse de ces réactions d’oxydation dépend alors de l’épaisseur du liant (Durrieu F, Farcas F et V., 2007; Mouillet et al., 2014). Cette étude a été menée selon deux grandes parties complémentaires : une première partie réalisée à l’échelle de l’émulsion et de l’ECF de référence (ECF avec des granulats neufs), suivie par une deuxième partie adaptée à l’échelle de l’ECF avec des GBR. Dans les deux parties de notre étude, on suit l’évolution du liant sous des conditions de vieillissement thermique et photochimique par des mesures rhéologiques, des essais de spectroscopie infrarouge, et par des essais conventionnels (TBA, pénétration) pour une période allant de 1 à 21 jours à 44°C.