Brevet FR2460902A1 — publié le 19810130

La présente invention se rapporte à des matériaux de construction et de revêtement routier, à leur procédé de fabrication et à leur applica- tion à la fabrication d'un revêtaement routier de propriétés mécaniques améliorées. On connait depuis longtemps des matériaux à base de bitume utilisés pour le revêtement des routes, pistes d'aéroport, etc. Ces matériaux ont remporté un vif succès commercial parce qu'ils présentent des propriétés de résistance mécanique et de résistance à la fissuration suffisantes pour la plupart des conditions d'utilisation. Cependant certaines portions de routes sont soumises à des conditions d'utilisation particulièrement sévères pour lesquelles les propriétés de résistance des matériaux à base de bitume sont insuffisantes. D'autre par le stockage et la manutention de bitumes sont rendus difficiles par les conditions climatiques des pays chauds, pays dans lesquels leur emploi catmme éléments de revêtement routier est donc malaisé. C'est pour les raisons précédentes qu'il a été proposé de substi- tuer aux bitumes des compositions d'aggrégats liés par des polymères. Ainsi le brevet français n 1.266.752 décrit-il une composition de revêtement constituée par du sable fin comportant environ de 2 à 8 % en poids de poly- éthylène linéaire de poids moléculaire compris entre 1000 et 10.000 et de viscosité à l'état fondu comprise entre 1 et 300 poises; ce revêtement peut aussi comnporter un additif au polyéthylène, tel que notainmment des résines de pétrole craqué, qui permet alors d'utiliser un polyéthylène de poids moléculaire supérieur à 10.000. Ce brevet enseigne en outre que la température de malaxage du sable et du polymère doit être d'autant plus élevée que le poids moléculaire du polyethylène est plus élevé; il enseigne ainsi que cette température dépasse 230 C pour un polyéthylène de poids moléculaire supérieur à 10.000 et de viscosité à l'état fondu égale à 280 poises (à 190 C). La composition décrite par le brevet français n 1.266.752 présente de nombreux inconvénients expliquant qu'elle n'ait pas été exploitée indus- triellement. Tout d'abord ces inconvénients tiennent à la nature restrictive du polyéthylène utilisable puisque celui-ci doit posséder à la fois une structure linéaire - ce qui est difficile à obtenir -, un poids moléculaire inférieur ou égal à 10.000 et une viscosité à l'état fondu inférieure à 300 poises. Ensuite ils tiennent, lorsqu'on désire s'affranchir de la res- triction liée au poids moléculaire, à la nécessité d'incorporer une résine de pétrole craqué. De plus la température de malaxage excessivement élevée se traduit par un coût énergétique prohibitif des matériaux de revêtement 2 2460902 ainsi obtenus. Enfin et surtout, les propriétés de résistance à la fissura- tion de ces matériaux de revêtement bien que supérieures à celles des matériaux à base de bitume se sont révélées insuffisantes, ccmpte tenu de leur prix de revient, pour les conditions d'utilisation sévères de certaines portions de routes. Différents auteurs ont cru, ultérieurement, pouvoir pallier les inconvénients précédents soit en augmentant la teneur du polymère dans la composition de revêtement (brevet français n 2.158. 254) soit en ajoutant à la catposition un tiers constituant minéral capable de catalyser l'oxyda- tion du polymère (brevets français n 2.306.953 et 2.338.306). Ces auteurs n'ont pas davantage apporté de solution au problème de l'amélioration de la résistance à la fissuration des compositions d'aggrégats liés par des polymères. C'est pourquoi le but de la présente invention consiste à proposer des matériaux de construction et de revêtement routier de propriétés amélio- rées, dont la fabrication soit possible à coût énergétique réduit et mette en jeu une gamUIe de polymères aisénent disponibles. La présente invention est basée sur l'idée que, contrairement à l'enseignement de l'art antérieur, l'amélioration des carpositions du brevet français n 1.266.752 ne doit pas être recherchée en modulant la quantité de polymère dans la composition ni en ajoutant des tiers constituants miné- raux à la composition, mais en choisissant de manière étudiée la nature du polymère entrant dans ladite composition. Les études menées dans le cadre de la présente invention ont conduit à s'écarter délibérément de l'ensei- gnement du brevet français n 1.266.752 et à proposer l'emploi d'un polymère d'éthylène de poids moléculaire compris entre 12.000 et 50.000 et de viscosité à l'état fondu supérieure ou égale à 340 poises. Les matériaux de construction et de revêtement routier selon l'invention comprennent de 94 à 97 % en poids de granulats minéraux et de 3 à 6 % en poids de polymère et sont caractérisés en ce que ledit polymère comprend au moins un polymère d'éthylène de poids moléculaire compris entre 12.000 et 50.000 et de viscosité à l'état fondu supérieure ou égale à 340 poises. Par poids moléculaire on entend - camne toujours en pareil cas - le poids moléculaire moyen en nombre. Par viscosité à l'état fondu en entend la viscosité à 190 C et à bas taux de cisaillement (10-3 S-1) mesurée au tmoyen d'une balance rhéaimtre de type KEPES. Les polymères de l'éthylène utilisés dans le cadre de l'invention sont de préférence des polymères de masse volumique comprise entre 0,900 et 0,920 g/cm3; ils ne sont généralement pas linéaires mais comportent un taux de branchnement plus ou moins élevé. Ce sont soit des homopolymères obtenus par polymérisation de l'éthylène au moyen d'un initiateur radica- laire - tel que l'oxygène, les peroxydes ou les peresters - soit des copolymères de l'éthylène et d'au moins un comonamère polaire obtenus éga- lement en présence d'un initiateur radicalaire, le ccmonxmère polaire étant généralement choisi parmi le monoxyde de carbone, les anhydrides d'aci- de dicarboxylique, les esters vinyliques d'acide carboxylique, les esters de l'acide acrylique, etc. Le polymère entrant dans la composition des matériaux selon l'invention est soit un polymère d'éthylène soit un mélange de plusieurs polymères d'éthylène au sens précédent soit le mélange d'un polymère au sens précédent et d'un autre polymère thermoplastique tel que le polybutène-1 par exemple. Les granulats minéraux entrant dans la composition des matériaux selon l'invention peuvent être de natures extrêemment diverses: basaltes, calcaires, silicocalcaires, sables marins, etc. On comprend donc, à la vue des définitions précédentes, que l'invention diffère de l'enseignement du brevet français n 1.266.752 par au moins trois paramètres du polymère utilisé: sa viscosité, son poids moléculaire et sa structure macramoléculaire branchée. Ce sont ces trois paramètres qui expliquent le comportement amélioré (notamment la résistance à la fissuration) des matériaux selon l'invention par rapport aux matériaux de l'art antérieur. Par contre la présente invention ne diffère pas sensi- blement de l'enseignement du brevet français n 1.266.752 pour ce qui concer- ne la teneur en polymère dans le matériau: il a seulement été possible de préciser qu'une teneur inférieure à 3 % en poids ne procure au matériau des propriétés suffisanment élevées tandis qu'une teneur supérieure à 6 % en poids n'améliore plus sensiblement les propriétés de résistance à la fissuration du matériau et grève le prix de revient de celui-ci. Le procédé de fabrication des matériaux selon l'invention consiste à malaxer les granulats minéraux et le polymère à une température comprise entre 160 et 190 C. Ce malaxage doit être effectué dans des conditions d'efficacité et de durée telles que le matériau obtenu soit de constitution totalement hcmogène. Le contrôle de la température pendant l'opération de malaxage revêt une importance particulière parce qu'une élévation incontrô- lée de la température entraine toujours la formation de zone d'hétérogénéité dans le matériau, la présence de telles zones étant responsable de la dimi- nution des propriétés du matériau. De manière souvent préférentielle, la température de malaxage sera choisie entre 170 et 185 C. L'opération de fabrication des matériaux selon l'invention pourra être effectuée dans des machines de malaxage conventionnelles. Les emplois des matériaux selon l'invention sont extroment variés dans le dOmaine de l'industrie du bâtiment et des travaux publics. Un premier emploi consiste dans la fabrication de revêtements routiers, notamment pour des portions de route, de piste d'aéroport, etc. soumises à des conditions d'utilisation particulièrement sévères. Un second emploi consiste par exemple dans la fabrication de matériaux de construction ccmme des carrelages et des élnments préfabriqués; pour cette dernière fabrication, l'installation ccmprend un four de séchage des granulats minéraux, un malaxeur dans lequel on homogénise le mélange des granulats minéraux séchés et du polymère, une chaine transporteuse sur laquelle le matériau selon l'invention est comprimé et refroidi, puis un dispositif pour tronçonner le matériau refroidi aux dimensions voulues. Relativement au premier emploi signalé précédemment, l'invention concerne donc aussi une application de ces matériaux à un procédé de fabri- cation d'un revêtement routier de propriétés mécaniques améliorées, caracté- risé en ce qu'on épand lesdits matériaux sur la surface à revêtir, la durée s'écoulant entre la fabrication du matériau et son épandage étant comprise entre 15 et 150 minutes. Cette caractéristique du procédé est imposée par le fait que dans l'application routière, les matériaux fabriqués par malaxage à chaud sont chargés en l'état sur un camion, le camion est conduit sur le chantier et son contenu est ensuite épandu. Or pendant le chargement et le transport, d'une part la température des matériaux ccamrnce à diminuer et d'autre part les matériaux sont en contact avec l'air. On a observé que, en fonction de ces deux phénmarnes, la durée s'écoulant entre la fabrication du matériau et son épandage a une influence notable sur la qualité des pro- priétés mécaniques du revêtement routier obtenu. Plus précisément, ces propriétés cammencent à se dégrader lorsque cette durée dépasse 150 minutes, laissant place à l'apparition de fissurations. A l'inverse, les propriétés du revêtement n'ont pas encore atteint leur optimum lorsque cette durée est inférieure à 15 minutes. Les enrobés routiers obtenus par le procédé selon l'invention présentent, à température ordinaire, des caractéristiques remarquables de résistance à la ccmpression, celle-ci atteignant sans diffi- culté des valeurs de l'ordre de 100 kgf/cm2 à 20 C; cette résistance à la coepression reste d'un niveau élevé à 60 C, permettant un emploi aisé dans les pays chauds. La granulométrie moyenne des granulats minéraux entrant dans la curposition de ces enrobés sera, de manière usuelle, ccoprise entre 0,5 et 5 nmm environ et sera choisie de manière adaptée en fonction des car- rières disponibles à proximité du lieu de fabrication. Les exemples suivants ont pour objet d'illustrer l'invention sans prétendre en limiter la portée. Notamment il faut comprendre que le polymère entrant dans la composition des matériaux selon l'invention peut comporter des doses infimes d'antioxydants connus, notamment pour retarder l'évolution de l'enrobé routier chaud au contact de l'air lorsque la durée du transport avant son épandage est importante. De même il faut se rappeler que le polymère entrant dans la composition des matériaux selon l'invention peut être un mélange d'un polymère d'éthylène et d'un autre polymère theramo- plastique tel que polybutène-l, polypropylène atactique, caoutchouc, élas- tomère du type éthylène-propylène-diène, ionomère, etc. EXPLE 1 On malaxe à une température de 170 C un mélange de 97 % de granulats silico-calcaires (granulométrie moyenne: 3 mm) et de 3 % d'unlm polyethylene A (masse volumique: 0,918 g/cm3; poids moléculaire moyen en nombre 12.000; viscosité à l'état fondu: 1 750 poises). Le temps de contact à chaud pendant ce malaxage est de 7 minutes et permet d'obtenir une homogénéité totale du mélange. Le mélange homogénéisé est ensuite transporté sur un chantier de construction de route et l'on commnence son épandage 15 minutes après la fin du malaxage. On mesure, la température extérieure étant de 20 C, la résistance à la compression du matériau du revêtement obtenu: elle est de 100 kgf/ncm2. Ensuite on observe l'aspect du revêtement, qui ne présente aucune fissuration. EXEMPLE 2 On malaxe à une température de 180'C un mélange de 94 parties en poids de sable et de 6 parties en poids d'un polyéthylene B (masse volumique 0,914 g/cm3, poids moléculaire moyen en nombre 12.000, viscosité à l'état fondu 340 poises). Un temps de contact à chaud de 1 minute est suffisant pour obtenir une homogénéité totale du mélange. Le mélange haomogénéisé est ensuite transporté sur un chantier de construction de route et l'on carmence son épandage 150 minutes après la fin du malaxage. On mesure, la température extérieure étant de 200C, la résistance à la compression du revêtement obtenu: elle est de 105 kgf/cm2. Apres une période de quelques mois au cours de laquelle le revêtement a été soumis à un trafic important, on ne relève la présence d'aucune fissure. EXEMPLES 3 à 8 On mesure les performances mécaniques de matériaux obtenus par malaxage de 96,5 parties en poids de basaltes et de 3,5 parties en poids de différents polymères selon l'invention. La performance mécanique mesurée est la résistance à la campression à 20'C et à 60'C, exprimée en kgf/cm2. Le 6 2460902 polymère utilisé dans l'exemple 3 est le polyéthylène A décrit à l'exemple 1. Le polymère utilisé dans l'exemple 4 est un mélange par parties égales du polyéthylène A et d'un copolymère éthylène-acétate de vinyle ccmmercialisé sous la référence UE 633 par la Société NATIONAL DISTIL1ERS. Le polymère utilisé dans l'exemple 5 est un mélange de 2 parties du polyéthylene A pour 1 partie d'un copolymère éthylène-anhydride maléique ccaprenant 4 % de motifs anhydride dans la macrcmolécule. Le polymère utilisé dans l'exemple 6 est un mélange de 3 parties du polyéthylene A pour 1 partie de ionoreère au zinc ccmmercialisé sous la marque Surlyn par la société DU PONT DE NEMOURS. Le polymère utilisé dans l'exemple 7 est un mélange de 4 parties de polyéthylene A pour 1 partie de poudre de caoutchouc provenant de la récupération de pneumatiques. Le polymère utilisé dans l'exemple 8 est un mélange par parties égales du polyéthylene A et de polybutène-1 (masse volumique: 0,918 g/cm3, indice de lfuidité 0,5 dg/mn selon norme ASIM D-1238-73). Dans tous les exemples, le polymère a été malaxé avec les granulats à une température de C pendant une durée suffisante pour obtenir un mélange homogène. Les résultats des mesures réalisées sont consignés dans le tableau ci-après. TABLEAU EXEMPLE N IC (20 C) RC (60 C) 3 158 71 4 149 67 192 116 6 125 48 7 140 84 8 171 90 REVEND ICAT IONS 1. Matériaux de construction ccmprenant de 94 à 97 % en poids de granulats minéraux et de 3 à 6 % en poids de polymère, caractérisés en ce que ledit polymère ccuprernd au moins un polymère d'éthylène de poids molécu- laire comparis entre 12.000 et 50.000 et de viscosité à l'état fondu supé- rieure ou égale à 340 poises. 2. Matériaux de construction selon la revendication 1, caractérisés en ce que le polymère d'éthylène est un polymère branché de masse volumique comprise entre 0,90 et 0,92 g/cm3. 3. Matériaux de construction selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisés en ce que le polymère comprend, outre le polymère d'éthylène, un autre polymère thermoplastique choisi parmi le polybutène-1, le polypro- pylène atactique, les ionmanères et les élastomères éthylène-propylènediène. 4. Matériaux de construction selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisés en ce que le polymère d'éthylène est un hamopolymère. 5. Matériaux de construction selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisés en ce que le polymère d'éthylène est un copolymère de l'éthylène et d'un comonoeère polaire, ledit ccmonamère étant choisi parmi le monoxyde de carbone, les anhydrides d'acide dicarboxylique, les esters vinyliques d'acide carboxylique et les esters de l'acide acrylique. 6. Procédé de fabrication des matériaux selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on malaxe les granulats minéraux et le polymère à une température coaprise entre 160 et 190 C pendant une durée suffisante pour obtenir un mélange homogène. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la température de malaxage est comprise entre 170 et 185 C. 8. Application des matériaux de construction selon l'une des reven- dications 1 à 5 à la fabrication d'un revêtement routier de propriétés mécaniques améliorées par épandage desdits matériaux sur la surface à revêtir, caractérisée en ce que la durée s'écoulant entre la fabrication des matériaux et leur épandage est comprise entre 15 et 150 minutes.