Brevet FR2665709A1 — publié le 19920214

La présente invention a pour objet des émulsions de bitume, en particulier des émulsions ayant une viscosité relativement forte, ainsi qu'un procédé de préparation de ces émulsions. Des émulsions de bitume sont utilisées, par exemple, dans la construction et la réparation des chaussées. Elles présentent des avantages sur les compositions de bitume classiques en ce qu'elles peuvent être appliquées à de plus basses températures par pulvérisation ou d'autres techniques de revêtement. Apres son application à la surface de la chaussée, l'émulsion se rompt et liteau présente dans l'émulsion s'évapore, laissant un revêtement de bitume. Ainsi, les émulsions posent des problèmes pour l'environnement et peuvent être utilisées sur place sans le danger de l'exposition à des brûlures et à des fumées toxiques des ouvriers travaillant à la construction des chaussées. La viscosité d'une émulsion de bitume classique dépend en grande partie de la quantité de bitume présente. Habituellement, la viscosité est relativement basse, allant de 30.10-6 m2/s pour 60% en poids de bitume à 400.10-6 m2/s pour 70% en poids de bitume. Les émulsions de faible viscosité présentent pour inconvénient une tendance après leur pulvérisation sur la surface de la chaussée, à s'écouler vers le bord de la chaussée en raison de la courbure de la surface de la chaussée, et la couche de bitume possède une épaisseur non uniforme dans la direction transversale de la chaussée. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 3 728 278 donne des exemples d'émulsions de bitume qui comprennent 67 ou 69% de bitume (asphalte), 0,30% d'une amine servant d'agent émulsionnant, 0,19% d'acide chlorhydrique, 0,05% de chlorure de calcium, de l'eau constituant le reste de la composition, le pourcentage étant exprimé en poids, sur la base du poids total de l'émulsion. Les émulsions possèdent une viscosité Saybolt Furol de 55 secondes (120.10-6 m2/s), c'est-à-dire une viscosité classique pour une émulsion de bitume. La viscosité de l'émulsion de bitume peut être accrue en augmentant la teneur en bitume de l'émulsion, mais cela présente l'inconvénient de réduire la stabilité de l'émulsion. Cette instabilité peut être contrebalancée par l'addition d'une plus grande quantité d'agent émulsionnant, mais cela a alors pour résultat un accroissement du temps nécessaire à la rupture de l'émulsion après l'application de cette émulsion à la surface de la chaussée. Au lieu d'accroître la teneur en bitume, il est possible d'ajouter à l'émulsion des composés de haut poids moléculaire tels que des polymères hydrosolubles de haut poids moléculaire. Cependant, ces composés présentent l'inconvénient d'être coûteux. La présente invention propose, dans un aspect, une émulsion de bitume ayant une viscosité d'au moins 200.10-6 m2/s comprenant, en poids, sur la base du poids total de l'émulsion (a) 60 à 80% d'un bitume ayant une pénétra tion à 25"C de 20 à 500 (b) 0,04 à 3,0t d'un agent émulsionnant (c) 0,04 à 3,0t d'un acide inorganique (d) 0,1 à 3,0t d'un sel métallique, le métal étant choisi entre le lithium, le sodium, le potassium, le magnésium, le calcium et l'aluminium ; et (e) 15 à 39% d'eau. L'émulsion conforme à la présente invention présente l'avantage d'avoir une viscosité relativement forte sans renfermer une proportion accrue de bitume et sans l'addition d'agents de haut poids moléculaire augmentant la viscosité. Ainsi, elle conserve les propriétés avantageuses des émulsions de plus faible viscosité, telles que la stabilité et la rupture rapide, elle est relativement peu coûteuse à produire et présente l'avan tage, lors de l'application de l'émulsion à la surface d'une chaussée, que la forte viscosité limite l'écoulement de l'émulsion vers les bords de la chaussée, et donne une couche de bitume d'épaisseur uniforme appropriée. Le bitume utilisé dans l'émulsion peut être n'importe quel bitume bien connu disponible dans le commerce (connu également sous le nom d'asphalte), sous réserve qu'il possède une pénétration à 25 C de 20 à 500 conformément à la norme ASTM D946-74. Le bitume possède avantageusement une pénétration de 100 à 300, de préférence de 150 à 250, et un point de ramollissement par la méthode bille et anneau de 35 à 100"C, de préférence de 35 à 60"C. La quantité préférée de bitume présente dans l'émulsion est comprise dans l'intervalle de 64 à 75%, un intervalle de 66 à 70% étant particulièrement apprécié. Le diamètre moyen des particules du bitume dans l'émulsion préparée est généralement compris dans l'intervalle de 0,5 à 10 micromètres, habituellement de 2 à 7 micromètres. L'agent émulsionnant utilisé est, de manière classique, un agent émulsionnant cationique. Des agents émulsionnants cationiques sont bien connus pour l'utilisation dans des émulsions de bitume, et des exemples convenables comprennent une aminopropane-alkyldiamine et des alkyldiamines modifiées. La quantité d'émulsionnant utilisée est avantageusement comprise dans l'intervalle de 0,04 à 1,0%, de préférence de 0,05 à 0,5%. L'acide inorganique utilisé est de préférence l'acide chlorhydrique. La quantité utilisée est avantageusement comprise dans l'intervalle de 0,04 à 1,0%, de préférence de 0,1 à 0,5%. Le sel métallique utilisé est de préférence un halogénure métallique, par exemple un chlorure métallique. Des exemples de chlorures métalliques convenables comprennent les chlorures de calcium, de sodium et d'aluminium le chlorure de calcium est particulièrement apprécié. La quantité de sel métallique utilisée est comprise avantageusement dans l'intervalle de 0,1 à 1,5%, de préférence de 0,15 à 1,0%. La quantité d'eau présente dans l'émulsion est de préférence comprise dans l'intervalle de 20 à 36%. Le cas échéant, l'émulsion peut contenir également d'autres additifs couramment utilisés dans des émulsions de bitume, par exemple un fondant dérivé du pétrole. L'émulsion de bitume de forte viscosité conforme à la présente invention est préparée avantageusement par un procédé de mélange statique en deux (ou plus de deux) étapes, de la manière décrite dans la demande de brevet européen publiée sous le N" 283 246A. Ainsi, dans un autre aspect, la présente invention propose un procédé de préparation d'une émulsion de bitume ayant une viscosité d'au moins 200.10-6 m2/s, qui consiste (a) à introduire du bitume ayant une pénétration à 25"C de 20 à 500 dans un premier mélangeur statique à une température supérieure à 50"C ; (b) à introduire de l'eau sous pression dans le premier mélangeur statique, la pression étant suffisante pour éviter une évaporation notable de l'eau, et le rapport pondéral de l'eau au bitume dans le premier mélangeur statique étant compris dans l'intervalle de 3 à 35::1 (c) à introduire un agent émulsionnant, un acide inorganique et un sel métallique, le métal étant choisi entre le lithium, le sodium, le potassium, le magnésium, le calcium et l'aluminium, dans le premier mélangeur statique (d) à mélanger les constituants dans le premier mélangeur statique, puis à faire passer le mélange résultant du premier mélangeur statique dans au moins un autre mélangeur dans lequel la température est plus basse que dans le premier mélangeur statique et est inférieure au point d'ébullition de l'eau (e) à introduire de l'eau dans le ou les autres mélangeurs, en une quantité choisie de manière que la quantité totale d'eau présente dans l'émulsion résultante soit comprise dans l'intervalle de 15 à 40% en poids, sur la base du poids total de l'émulsion ; et (f) à faire passer le mélange à travers le ou les autres mélangeurs et à décharger l'émulsion de bitume résultante. De préférence, 1 'autre mélangeur est également un mélangeur statique. Pour faciliter l'introduction de l'agent émulsionnant, de l'acide inorganique et du sel métallique dans le premier mélangeur statique, ces constituants peuvent être mélangés à l'eau à introduire dans le premier mélangeur pour former une solution aqueuse ou un "savon". En plus de l'eau, ce savon contient avantageusement 0,2 à 20%, de préférence 0,4 à 10%, d'agent émulsionnant ; 0,2 à 20%, de préférence 0,4 à 10%, d'acide inorganique ; et 0,2 à 20%, de préférence 0,4 à 10%, de sel métallique. Le cas échéant, le bitume peut être mélangé préalablement à l'eau et/ou l'agent émulsionnant avant introduction dans le premier mélangeur. Si cela est désiré, il n'est pas nécessaire d'introduire la totalité de l'agent émulsionnant, de l'acide et du sel métallique dans le premier mélangeur statique, chacun de ces constituants pouvant être introduit partiellement dans le premier mélangeur statique et partiellement dans le ou les autres mélangeurs suivants. Cependant, il est habituellement avantageux d'introduire la totalité, ou au moins une forte quantité, de chaque constituant dans le premier mélangeur statique. Le bitume est de préférence introduit dans le premier mélangeur statique à une température de 100 à 200 C, de préférence de 120 à 190 C, et sous une pression de 0,2 à 8 MPa, de préférence de 1 à 3 MPa. L'eau ou le savon est de préférence introduit dans le même mélangeur à une température de 20 à 70"C, de préférence de 30 à 50du, et également sous une pression de 0,2 à 8 MPa, de préférence de 1 à 3 MPa. La température dans le premier mélangeur est habituellement comprise dans l'intervalle de 70 à 250 C, de préférence de 100 à 1500C. Une haute température facilite l'émulsionnement du bitume et de l'eau, et la pression relativement forte évite l'évaporation de l'eau. I1 est préféré de faire passer le mélange résultant du premier mélangeur statique directement dans l'autre mélangeur, qui est également de préférence un mélangeur statique. Le reste de l'eau est introduit dans cet autre mélangeur, de préférence froid, par exemple à une température de 5 à 20"C, de sorte qu'il refroidisse l'émulsion, ce qui permet à l'émulsion résultante de sortir de l'autre mélangeur à une température inférieure au point d'ébullition de l'eau. I1 est également avantageux de faire fonctionner cet autre mélangeur sous une pression réduite par rapport au premier mélangeur, de sorte que l'émulsion quitte l'autre mélangeur sous la pression atmosphérique. I1 a été trouvé que, par l'addition du sel métallique, par exemple le chlorure de calcium, au mélange à émulsionner, de préférence par son introduction dans le premier étage du procédé de mélange statique à plusieurs étages, une émulsion de bitume, de viscosité notablement supérieure à celle des émulsions de bitume classiques, peut être produite. Par exemple, pour une teneur en bitume de 64 à 70%, la viscosité de l'émulsion conforme à la présente invention peut être comprise dans l'intervalle de 200.10-6 à 10 000.10-6 m2/s et, pour une teneur en bitume égale ou supérieure à 66%, la viscosité est habituellement supérieure à 400.10-6 m2/s.Cela est inattendu, étant donné que, lorsque des sels métalliques tels que le chlorure de calcium ou de sodium sont incorporés aux émulsions de bitume préparées par des procédés classiques tels que le passage dans un broyeur à colloïdes, habituellement en des quantités de 0,01 à 0,05% en poids, ces sels métalliques sont destinés à diminuer la viscosité de l'émulsion résultante. Le procédé conforme à cet aspect de la présente invention est de préférence un procédé de mélange statique en deux étages. Cependant, plus de deux mélangeurs peuvent être utilisés le cas échéant, les mélangeurs étant habituellement disposés en série. Des détails supplémentaires du procédé de mélange statique en deux ou plus de deux étages sont mentionnés dans la demande de brevet européen publiée sous le N 283 246A précitée, dont la description est citée à titre de référence dans le présent mémoire. La présente invention est illustrée à présent par les exemples suivants Exemple 1 Une émulsion de bitume a été préparée en utilisant un procédé de mélange statique en deux étages. Les deux mélangeurs étaient des mélangeurs Kenics du type décrit dans la Chemineers Brochure 800E, publiée par Chemineers Ltd., 1984. Les compositions du bitume et de la solution de savon injectées dans le premier mélangeur statique étaient les suivantes Bitume : Quantité de bitume 690 kg Pénétration 25"C/10 mm/5 s 198 Point de ramollissement bille et anneau 39"C Température 140 cl Pression 2,5 MPa Solution de savon : Quantité de solution de savon 12 kg Emulsionnant du type dérivé du suif propanediamine 1,5 kg Acide chlorhydrique 1,5 kg Chlorure de calcium 1,0 kg Eau 8,0 kg Température 40"C Pression 2,5 MPa Le mélange a été passé à travers le premier mélangeur statique, puis a été introduit directement dans le second mélangeur statique, et 19 kg d'eau à 15"C ont été ajoutés sous une pression de 0,4 MPa. Le mélange a été passé à travers le second mélangeur et l'émulsion résultante a quitté ce mélangeur sous la pression atmosphérique et à une température de 80 à 90"C. Les propriétés de l'émulsion résultante ont été mesurées et comparées à celles d'une émulsion de bitume ayant la même composition, mais préparée par un procédé classique de passage dans un broyeur à colloïdes. Les résultats sont présentés sur le tableau 1. Exemple 2 L'exemple 1 a été répété, sauf que la quantité de bitume dans le mélange a été réduite à 650 kg et la quantité d'eau introduite dans le second mélangeur a été portée à 23 kg. Les propriétés de l'émulsion résultante ont été mesurées et comparées à celles d'une émulsion de bitume de même composition, préparée par un mélange classique dans un broyeur à colloïdes. Les résultats sont présentés sur le tableau 1. TABLEAU 1 Exemple Comparatif Exemple Comparatif 1 2 Viscosité à 25"C (10-6 m2/s) 8400 300 260 70 pH 2,8 2,8 2,8 2,8 Tamis 0,63 mm 0,01 0,01 0,01 0,01 Tamis 0,16 mm 0,05 0,05 0,05 0,05 Sédimentation à 7 jours (%) Indice de rupture (g) 70 70 80 80 Les résultats montrent que des émulsions de bitume conformes à la présente invention possèdent des viscosités notablement supérieures à celles des émulsions préparées de manière classique, mais que, à d'autres points de vue, les émulsions de la présente invention conservent les mêmes propriétés avantageuses que celles des émulsions classiques comparatives. I1 va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et que de nombreuses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Emulsion de bitume ayant une viscosité d'au moins 200.10-6 m2/s, caractérisée en ce qu'elle comprend en poids, sur la base du poids total de l'émulsion (a) 60 à 80% d'un bitume ayant une pénétra tion à 25"C de 20 à 500 (b) 0,04 à 3,0% d'un agent émulsionnant (c) 0,04 à 3,0% d'un acide inorganique (d) 0,1 à 3,0% d'un sel métallique, le métal étant choisi entre le lithium, le sodium, le potassium, le magnésium, le calcium, l'aluminium ; et (e) 15 à 39% d'eau. 2. Emulsion de bitume suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le sel métallique est un halogénure métallique, de préférence un chlorure métallique. 3. Emulsion de bitume suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le métal du sel métallique est choisi entre le sodium, le calcium et l'aluminium, et est de préférence le calcium. 4. Emulsion de bitume suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la quantité de sel métallique dans l'émulsion est comprise dans l'intervalle de 0,1 à 1,5% en poids, sur la base du poids total de l'émulsion. 5. Emulsion de bitume suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'agent émulsionnant est un agent émulsionnant cationique. 6. Emulsion de bitume suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la quantité de bitume dans l'émulsion est comprise dans l'intervalle de 64 à 75% en poids, sur la base du poids total de l'émulsion. 7. procédé de préparation d'une émulsion de bitume ayant une viscosité d'au moins 200.10 6 m2/s, caractérisé en ce qu'il consiste (a) à introduire du bitume ayant une pénétration à 25"C de 20 à 500 dans un premier mélangeur statique à une température supérieure à 50C (b) à introduire de l'eau sous pression dans le premier mélangeur statique, la pression étant suffisante pour éviter une évaporation notable de l'eau, et le rapport pondéral de l'eau au bitume dans le premier mélangeur statique étant compris dans l'intervalle de 3 à 35::1 (c) à introduire un agent émulsionnant, un acide inorganique et un sel métallique, le métal étant choisi entre le lithium, le sodium, le potassium, le magnésium, le calcium et l'aluminium, dans le premier mélangeur statique ; (d) à mélanger les constituants dans le premier mélangeur statique, puis à faire passer le mélange résultant du premier mélangeur statique dans au moins un autre mélangeur dans lequel la température est plus basse que dans le premier mélangeur statique et est inférieure au point d'ébullition de l'eau ; (e) à introduire de l'eau dans le ou les autres mélangeurs, en une quantité choisie de manière que la quantité totale d'eau présente dans l'émulsion résultante soit comprise dans l'intervalle de 15 à 50% en poids, sur la base du poids total de l'émulsion ; et (f) à faire passer le mélange à travers le ou les autres mélangeurs et à décharger l'émulsion de bitume résultante. 8. Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que l'autre mélangeur est un mélangeur statique. 9. Procédé suivant la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que l'agent émulsionnant, l'acide inorganique, le sel métallique et l'eau introduits dans le premier mélangeur statique sont mélangés les uns aux autres pour former une solution aqueuse, avant d'être introduits dans le premier mélangeur statique. 10. procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce que les quantités des constituants dans la solution, en plus de l'eau, sont, en poids sur la base du poids total de la solution (a) 0,2 à 20% d'agent émulsionnant (b) 0,2 à 20% d'acide inorganique ; et (c) 0,2 à 20% de sel métallique.