Modèle de la structure colloïdale

La première description du modèle colloïdale du bitume revient à Nellebsteym en 1923. Vu leur ressemblance à la structure du carbone libre, les asphaltènes forment une suspension colloïdale dans une matrice de maltène (Lesueur, 2002). Cette description a été supportée par l’effet Tyndall sur les asphaltènes en solution et par les observations microscopiques, ainsi que l’absence de diffusion des molécules d’asphaltènes à travers une membrane.

Le modèle colloïdal permet par conséquent de décrire trois types de bitume (Lesueur, 2009) (Figure 1.18) :

• les bitumes de type sol dont les propriétés rhéologiques sont principalement newtoniennes. En termes de structure, cela se produit quand les micelles d’asphaltène sont totalement dispersées dans les maltènes et n’interagissent pas entre elles;

• les bitumes de type gel sont produits à la suite d’un procédé de soufflage. La proportion d’asphaltènes augmente par rapport aux aromatiques. Le comportement devient de ce fait non newtonien. Ce comportement peut être décrit comme un mélange d’élasticité différé et de non-linéarité des propriétés viscoélastiques;

• les bitumes de type Sol-gel correspondent aux bitumes intermédiaires obtenus par mélange d’un bitume de type sol avec un bitume de type gel. Le modèle colloïdal n’explique pas le comportement « gel » d’un bitume « sol » dès que la température est assez faible et inversement.

Figure 1.18 Les modèles Sol et Gel du bitume Tirée de Corté (2004)

1.2.3.2 Le modèle du fluide polaire dispersé

Les chercheurs du programme américain SHRP décrivent le bitume comme un mélange complexe de molécules sans structure prédominante. Les interactions intermoléculaires sont de natures polaires ou dispersives. La rhéologie est alors gouvernée par l’intensité des forces d’interaction. Le bitume est considéré en conséquence comme un matériau homogène (Petersen & Plancher, 1998). Cependant, des arguments tels que : l’observation à l’aide des techniques de diffraction des rayonnements, la nature hétérogène du bitume ou encore la possibilité qu’un matériau hétérogène comme les mastics ait une dépendance temporelle monotone, un spectre de relaxation uni modal et un comportement thermologiquement simple, réfute cette modélisation (Lesueur, 2009).

1.2.3.3 Le modèle colloïdal moderne Les micelles d’asphaltènes

La diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) et la diffusion des neutrons aux petits angles (SANS) confirment que les asphaltènes forment des micelles dans le bitume (Overfield, 1989). Ces expériences ont également relevé que les diagrammes de diffusions obtenus changent si les asphaltènes sont retirés du bitume. En outre, des études sur la viscoélasticité suggèrent la formation des micelles d’asphaltène et que ces micelles subissent un mouvement brownien à température assez haute. Ceci explique l’augmentation de la conductivité électrique du bitume en fonction de la température (Lesueur, 2009).

D’un point de vue thermique, on remarque que la température de transition vitreuse du bitume est très proche de celle des aromatiques. Ceci suggère fortement que les asphaltènes existent sous forme de particules dispersées et ne participent pas directement à la transition vitreuse (Turner & Branthaver, 1997).

Un autre argument très pertinent qui suggère l’existence de micelle d’asphaltènes dans le bitume est : l’évidence d’une structure élémentaire, relevée dans toutes les études de diffusion, ayant un rayon de diffusion de 2 à 8 nm, et qui correspond à la taille des cristaux purs des asphaltènes (MASSON, Leblond, & Margeson, 2006). Néanmoins, la description de la géométrie des micelles d’asphaltènes reste à clarifier. De même, le rôle des résines doit être bien compris. Dans ce sens, Swanson a montré que les asphaltènes précipitent lorsqu’ils sont mélangés avec les composantes huileuses du bitume (Lesueur, 2009). Il a aussi montré que les résines peuvent disperser les asphaltènes dans du benzène, mettant l’accent sur le rôle de stabilisation des résines dans le liant bitumineux. Koots quant à lui a quantifié qu’au moins 75% des résines du bitume étaient nécessaires pour éviter la précipitation des asphaltènes (Lesueur, 2009). Cependant, il a remarqué que les résines d’une source donnée étaient incapables de disperser les asphaltènes des autres sources de pétrole. Il existe donc un effet de reconnaissance dû à l’origine du bitume. En conclusion, tous les arguments avancés ci-dessus tendent à appuyer l’existence de micelles d’asphaltènes dans le bitume.

Agrégation des micelles d’asphaltènes dans le bitume

Le phénomène d’agrégation des micelles d’asphaltènes demeure assez hypothétique. D’un côté, le modèle de Yen suppose l’existence de micelles agrégées, appelées super micelles, qui génèrent alors, vu le mouvement brownien, des flocons (Cluster) jusqu’à ce que la structure atteigne une taille critique qui engendre sa précipitation (Figure 1.19) (Yen, 1992).

Figure 1.19 Modèle de formation des clusters d’Asphaltènes Tirée de Mullins (2010)

D’autres études ont révélé que ces particules s’arrangent selon des structures fractales bidimensionnelles dans des solvants tels que le toluène ou bien dans le bitume. Ces résultats ressemblent à ceux obtenus dans les modèles d’agrégation limitée par la réaction (Reaction- limited cluster aggregation).

En parallèle, les observations réalisées avec le microscope à force atomique (AFM), ou encore la microscopie électronique à balayage (MEB) mettent l’accent sur l’existence d’une structure semblable à une abeille, appelé aussi « catana phase ». Cette structure a une longueur moyenne

entre 22 et 85 nm et une distance typique entre les bandes (élément en relief sur la Figure 1.20) de 150nm. Les liens entre les asphaltènes et la structure en abeille ont été confirmés (MASSON, Leblond, & Margeson, 2006). Dans tous les cas, l’avancée des techniques d’observation des microstructures pourra clarifier la nature des agrégations d’asphaltènes.

Figure 1.20 Structure en abeille relevée dans le bitume Tirée de Masson (2006)

1.2.4 Les principes de la modification