Fractions chimiques du bitume SARA

Il y a peu d’informations dans la littérature concernant la distribution de masses moléculaires des macromolécules contenues dans le bitume. Il est cependant admis que la masse moléculaire des espèces chimiques les plus volatiles avoisine les 300 g/mol. Cela est déterminé par la « Température de coupe ou de fraction » lors de la distillation du bitume. En ce qui concerne le plus haut poids moléculaire, les recherches effectuées ne concordent pas. Certaines évoquent un poids moléculaire maximal de plus de 10000 g/mol, alors que d’autres indiquent que peu de molécules dépasse les 1000 g/mol. (Asphalt Institute, 2011).

En ce qui concerne la composition du bitume, on retrouve une majeure partie d’hydrocarbures cycliques aromatiques et/ou naphténiques, et une moindre partie de composés saturés possédant une faible réactivité chimique. On retrouve également des traces d’impuretés provenant de la source du brut.

La composition du bitume est communément définie selon 4 fractions de composants chimiques, répartis en 2 groupes : les asphaltènes et les maltènes. Les maltènes peuvent être subdivisés en trois groupes que sont les saturés, les aromatiques et les résines.

La composition élémentaire des différentes fractions du bitume ne sont pas les mêmes, et sont variables selon les bitumes employées. La Figure 1.7 illustre la composition élémentaire d’un exemple de bitume.

Figure 1.7 Composition élémentaire des 4 fractions d’un bitume Tirée de Read (2003, p. 34)

La détermination de la proportion de chacune des fractions chimiques se fait en isolant par précipitation les asphaltènes, composés insolubles dans l’heptane. Les maltènes, composés solubles dans l’heptane, restent en solution dans celui-ci. Les différentes fractions des maltènes sont ensuite séparées par chromatographie sur un gel de silice ou d’alumine (Di Benedetto et Corté, 2004).La Figure 1.8 représente schématiquement les différentes étapes du procédé de séparation des 4 fractions du bitumes.

Figure 1.8 Méthode de séparation des différentes fractions du bitume Tirée de Read (2003, p. 31)

Les asphaltènes

Les asphaltènes sont des solides amorphes noirs contenant du carbone, de l’hydrogène, de l’azote, du soufre et de l’oxygène. Des études mènent à la conclusion que l’oxygène, l’azote, le vanadium et le nickel sont combinés d’une manière bien précise dans la structure des asphaltènes (Asphalt Institute, 2011). Les asphaltènes sont généralement considérés comme des matériaux aromatiques de hauts poids moléculaires, fortement polaires. Les asphaltènes constituent de 5 à 25 % de la masse totalement du bitume (Read, 2003). La Figure 1.9 représente la formule topologique d’une molécule type des asphaltènes.

Figure 1.9 Structure des asphaltènes Tirée de Read (2003, p. 32)

La teneur en asphaltènes a une grande incidence sur le comportement rhéologique du bitume. Une augmentation de la teneur en asphaltènes donne un bitume plus dur, plus visqueux, de plus faible pénétration et avec un point de ramollissement plus élevé (Read, 2003). En d’autres mots, ce sont les asphaltènes qui sont responsables de la rigidité et de la résistance du bitume.

Les maltènes

Les maltènes sont des produits huilés dans lesquels baignent les asphaltènes. Les molécules de maltènes sont séparables par chromatographie en 3 fractions chimiques distinctes : les saturés, les aromatiques, et les résines.

Les saturés

Les saturés sont des huiles non visqueuses, non polaires et blanches. Ils contiennent la majeure partie des chaines hydrocarbonées aliphatiques linéaires ou ramifiés contenues dans le bitume, mais aussi des composés naphténiques. Les composés naphténiques sont des composés contenant une grande quantité de cycliques saturés (sans doubles liaisons au sein du cyclique carboné). Ainsi comme le nom de la fraction l’indique, les chaines carbonées des molécules de type « saturés » ne possèdent aucune insaturation, telles que des doubles liaisons « C=C » ou des cycles aromatiques. La masse moléculaire des composés saturés varie entre 500 et 900 g/mol (Asphalt Institute, 2011). Les saturés représentent de 5 à 20% de la masse totale du bitume. Ces composés sont responsables de la viscosité et de la fluidité du bitume (Young et al, 1998). La Figure 1.10 représente la formule topologique d’une molécule type des saturés.

Figure 1.10 Structure des saturés Tirée de Read (2003, p. 33)

Les aromatiques

Les aromatiques sont constitués des composés possédant les poids moléculaires les plus faibles. Ils contiennent une grande quantité de carbone, d’hydrogène et de soufre. Ils représentent la majeure partie de la phase dispersée du bitume (Asphalt Institute, 2011). Ce sont des liquides noirs et visqueux qui représentent généralement 45 à 60 % de la masse totale du bitume. Les aromatiques sont des composés contenant des cycles aromatiques et naphténiques avec des chaines carbonés. Leur poids moléculaire est similaire à ceux des composés saturés. (Asphalt Institute, 2011). La Figure 1.11 représente la formule topologique d’une molécule type des aromatiques.

Figure 1.11 Structure des aromatiques Tirée de Read (2003, p. 33)

Les résines ou aromatiques polaires

Les résines sont des solides ou semi-solides de couleur noire. Elles sont composées d’hydrogène, de carbone et de faibles quantités d’oxygène, de soufre et d’azote. Ce sont des composés très polaires ce qui fait en sorte que les résines ont un fort pouvoir adhésif. Ce sont des agents de dispersion pour les asphaltènes. Ce sont les composés responsables de l’adhésivité et de la ductilité du bitume (Young et Al., 1998). La proportion de résines par

rapport aux asphaltènes gouverne, dans une certaine mesure, le comportement rhéologique du bitume. Leur poids moléculaire est très élevé (Asphalt Institute, 2011) et est compris entre 800 et 2000 g/mol, mais avec une grande distribution moléculaire. Ces éléments constituent de 15 à 25% de la masse totale du bitume.