REVUE DE LA LITTÉRATURE 1.1 Les enrobés bitumineux et ses constituants
1.1.5 Le bitume .1 Généralités .1 Généralités
Le bitume, ou liant hydrocarboné, est obtenu par raffinage des pétroles bruts. Le bitume est constitué essentiellement d’hydrocarbures, soit d’éléments de carbone et d’hydrogène, et dans une moindre mesure, de soufre, d’oxygène et d’azote. Des traces de fer, vanadium, nickel, aluminium, silicium et de sodium y sont également présentes au sein du bitume (Corté et coll., 2004).
1.1.5.2 Principales caractéristiques d’un bitume
Le bitume contribue à la cohésion, à la durabilité et au comportement viscoélastique de l’enrobé. La méthode de formulation LC a comme principe de maximiser la teneur en bitume des enrobés afin qu’ils soient résistants à la fissuration, au désenrobage et à l’arrachement, et ainsi, assurer leur durabilité et garantir une excellente durée de vie utile des revêtements (Transports Québec, 1997). Des bitumes modifiés au polymère sont utilisés pour obtenir une grande durabilité des enrobés (Transports Québec, 2001). La répercussion de la teneur en bitume sur les propriétés de l’enrobé est illustrée à la Figure 1.1.
Figure 1.1 Teneur en bitume et propriétés de l'enrobé Adaptée de Langlois (2006, diapositive #7)
8
1.1.5.3 Caractérisation et classification des bitumes
Pour classifier un bitume, on cherche à quantifier sa cohésion suivant des températures de référence (classification européenne) ou, autrement, à déterminer la plage de températures à des niveaux de cohésion de référence (classification Superpave1 du programme SHRP2). Pour les deux approches, les propriétés du bitume sont établies suivant des étapes de conditionnement qui auront pour objectif de simuler l’évolution potentielle de la rhéologie du bitume au cours de la fabrication, mise en œuvre et en service des enrobés (bitume non vieilli, vieilli à court et à long terme). Au Québec, c’est la classification Superpave qui est utilisée (MTQ, 2012a). Cette classification repose sur des essais dits rhéologiques. En particulier, les essais rhéologiques permettent de classifier un bitume en déterminant les limites de températures, désignées classe de performance (Performance Grade, PG), à l’intérieur desquelles le bitume conserve un comportement adéquat (Tableau 1.1).
Tableau 1.1 Caractérisation des bitumes selon les essais rhéologiques
Essai rhéologique Caractéristique Vieillissement
A Température d’essai Exigence NV CT LT Rotational viscometer (RV) Maniabilité B X 135 et 165°C (Très hautes) Norme 4101* AASHTO, 2004 Dynamic Shear Rheometer (DSR) Résistance à l’orniérage X X 52 à 76°C (Haute, High) Norme 4101* AASHTO, 2009a Bending Beam Rheometer (BBR) Résistance à la fissuration thermique X C X -36 à -18°C (Basse, Low) Norme 4101* AASHTO, 2008
Multiple Stress Creep
Recovery (MSCR) fissuration par fatigue Résistance à la X (Haute, High)52 à 64°C AASHTO, 2010a Norme 4101*
A Bitume non vieilli (NV) : nommé bitume d’origine ;
Bitume vieilli à court terme (CT) : soumis au Rolling Thin Film Oven Test (RTFOT) (AASHTO, 2009b) ; Bitume vieilli à long terme (LT) : soumis au Rolling Thin Film Oven Test (RTFOT) et au Pressure Aging
Vessel (PAV) (AASHTO, 2009b ; 2012).
B Ne sert pas à la classification du bitume, mais à la détermination des températures de malaxage et compactage.
C Pour le contrôle du bitume et non pour sa classification. * Exigence spécifiée dans MTQ (2012a).
1 Abréviation de "Superior Performing Asphalt Pavements".
9
Le PG d’un bitume est caractérisé par une température haute (High, H) et basse (Low, L) sous la nomenclature suivante : PG H-L. L’intervalle entre les températures haute et basse de caractérisation permet d’évaluer la susceptibilité thermique du bitume. Généralement, la susceptibilité thermique des bitumes non modifié est de l’ordre de 86°C tandis que celle des bitumes aux polymères est égale ou supérieure à 92°C (Langlois, 2001). Suivant sa classification, le choix d’un bitume est arrimé aux conditions climatiques propres à la zone d’utilisation projetée. Notamment, ces essais évaluent, à différents stades de vieillissement, le comportement rhéologique du bitume. Le bitume doit conserver en service des performances acceptables en fonction de son vieillissement potentiel généré par l’évaporation de sa fraction volatile de ses constituants et de son oxydation.
Bien que les essais rhéologiques permettent de connaître les propriétés du bitume relatives à sa performance à l’orniérage, à la fissuration thermique et à la fatigue, d’autres propriétés sont fondamentales à connaître afin de réaliser la formulation des enrobés, d’assurer la sécurité des travailleurs et de bonifier la durabilité des enrobés bitumineux. Ces propriétés sont évaluées sur le bitume non vieilli et selon des essais dits essentiels, complémentaires et supplémentaires (Tableau 1.2).
En particulier, les essais supplémentaires permettent de vérifier la recouvrance d’élasticité et l’adhésivité passive des bitumes qui sont des propriétés importantes quant à la durabilité des enrobés bitumineux. La recouvrance d’élasticité est définie comme étant la capacité d’un bitume à récupérer sa forme initiale après avoir été étiré puis coupé. Une recouvrance élastique élevée confirme que le bitume a été modifié pour lui conférer des propriétés élastomériques. Cet essai sert à prévoir à long terme le comportement du bitume face aux variations de température (Carter et coll., 2010a). Alors, la recouvrance du bitume joue un rôle direct quant à la durabilité de l’enrobé en période de gel-dégel. L’adhésivité passive du bitume est vérifiée en immergeant un mélange de granulat (5-10mm) enrobés de bitume dans de l’eau à la température de la pièce et mis en agitation pendant 24 heures. Après immersion, le taux d’enrobage résiduel est évalué visuellement. Cet essai permet d’évaluer la résistance à l’eau, soit au désenrobage, du bitume. L’adhésivité passive des bitumes est grandement
10
influencée par le brut utilisé et le procédé de fabrication employé (Paradis, 2006). Une adhésivité passive élevée permet de limiter l’infiltration d’eau à l’interface bitume-granulat.
Tableau 1.2 Caractérisation des bitumes selon les essais essentiels, complémentaires et supplémentaires
Essai / caractéristique But Exigences
Ess
en
tiel
s Pénétrabilité /
Consistance
La pénétrabilité à l'aiguille permet de déterminer la consistance du bitume. Avant, cet essai servait à la classification du bitume.
ASTM, 2013 Densité /
Masse volumique
Pour la formulation LC, utilisant une méthode volumique, il est essentiel de connaître la masse volumique du bitume.
Norme 4101* ASTM, 1997 Compl ém entai res A Point éclair / Point d’inflammation
Assurer la sécurité des travailleurs en vérifiant la température la plus basse à laquelle le bitume émet suffisamment de vapeurs pour former un mélange gazeux qui s’enflamme sous l’effet d’une source d’énergie calorifique (T > 230°C).
Norme 4101* ASTM, 2012
Viscosité Brookfield / Maniabilité, écoulement
Obtenir une manutention et pompage adéquats (viscosité < 3Pa•s à 135°C).
Norme 4101* AASHTO, 2004 Perte d’hydrocarbures
volatils / Évaporation
Limiter le vieillissement lors de l’enrobage et la perte d’hydrocarbures volatils (< 0,6 ou 1,0%). Norme 4101* AASHTO, 2009b Su p p lémentaires B
Teneur en cendres / Teneur en matières insolubles
Éviter que le bitume ne soit modifié par une substance, matière insoluble, qui ne le bonifie pas.
Norme 4101* LC 25-008** Stabilité au stockage / Décantation Note C. Norme 4101* LC 25-003** Recouvrance d’élasticité / Propriété élastométrique
Il vérifie la présence d’élastomères (résultat ≥ 40 ou 60%) et est réalisé sur tous les bitumes dont l’intervalle (L-H) est ≥ 92°C. Norme 4101* LC 25-005** Résistance au désenrobage / Résistance à l’eau, au désenrobage ou adhésivité passive
Cet essai permet d’évaluer l’aptitude d’un bitume ou émulsion bitumineuse à adhérer de façon durable au granulat en présence d’eau (enrobage ≥ 95%).
Norme 4101* LC 25-009**
A Nommés ainsi par Paradis (2006).
B Nommés ainsi par Transports Québec (2001) ou d’essais additionnels par Paradis (2006).
C Au Québec, le bitume est modifié par le producteur au moment de sa fabrication. Le bitume modifié peut être transporté sur des centaines de kilomètres avant d’être entreposé dans le réservoir de la centrale d’enrobage. Il est donc essentiel de s’assurer que le bitume et le modifiant sont bien intégrés l’un à l’autre et que le liant est homogène (Langlois, 2001).
* Exigence spécifiée dans MTQ (2012a). ** Exigences regroupées dans MTQ (2013).