Brevet FR2729672A1 — publié le 19960726

i COMPOSITIONS BITUME-POLYMERE, LEUR PROCEDE DE PREPARATION ET LEURS APPLICATIONS La présente invention concerne des compositions bitume- polymère à caractère aromatique, leur procédé de préparation et leurs applications. Elle concerne plus particulièrement des compositions bitume-polymère stables au stockage. Le bitume est un matériau viscoélastique: il tend à devenir dur et cassant aux basses températures; il se ramollit et peut fluer aux températures élevées. Sa sensibilité à la température varie selon son origine et son procédé de fabrication. Il peut être obtenu, notamment, à partir du pétrole brut, comme résidu de distillation de celui-ci et/ou comme brai de désasphaltage de la fraction lourde issue de la (ou les) distillation(s). Le bitume est constitué, selon l'origine du pétrole brut, de proportions variables d'huiles paraffiniques (aliphatiques ou naphténiques) et aromatiques, de résines et d'asphaltènes (pour plus de détails, on peut se reporter au brevet EP 246 956, dont la Demanderesse est titulaire). L'accroissement des sollicitations des revêtements routiers, dû à une densité du trafic plus intense, à des forces d'accélération et de freinage des véhicules plus élevées, ainsi qu'à l'évolution du profil des poids lourds équipés maintenant de trois à quatre essieux arrières, ce qui augmente le temps d'application de la charge, nécessite l'adaptation de liants bitumineux allant dans le sens d'une augmentation de leur durabilité. Il est bien connu de modifier le bitume par addition d'un polymère, en vue d'améliorer cette durabilité. L'addition d'un polymère au bitume a pour objectifs: - de diminuer la susceptibilité thermique des bitumes, en élargissant l'intervalle de plasticité (par augmentation de la température de ramollissement et/ou par diminution de la température de fragilité à froid), - d'augmenter la résistance à la déformation, ainsi que le seuil de rupture. Il a ainsi été prouvé que les performances d'une composition bitumepolymère dûment sélectionnée sont supérieures à celles d'un bitume non additionné de polymère. Cependant, les problèmes de compatibilité des composants polymère et bitume pour atteindre le meilleur compromis entre les performances d'usage et la stabilité au stockage sont très difficiles à résoudre. C'est pourquoi de nombreux brevets revendiquent des compositions et/ou des procédés pour les obtenir qui sont censés apporter des solutions à ces problèmes. C'est ainsi que la demande de brevet européen EP 458 386 revendique un procédé pour obtenir une composition bitume- polymère stable dans les conditions de fluidité existant pendant le stockage à chaud, qui consiste à mélanger à une température comprise entre 200 et 250 c et pendant une durée (dépendant de la température) comprise entre 45 minutes et 15 heures: - de 85 à 98 % en poids de bitume sélectionné parmi les bitumes qui ont une pénétrabilité comprise entre 30 et 220 dixièmes de mm à 25 C, un point de ramollissement compris entre 35 et 55 C, et un indice de pénétrabilité compris entre - 1,5 et +1,5, et - de 15 à 2% en poids d'un copolymère "styrène-butadiène- styrène" (dit SBS) séquencé, ayant une structure étoilée ou linéaire. Pour les raisons qui apparaîtront ci-après, le procédé décrit dans EP-A458 386 ne permet cependant pas d'obtenir de façon systématique des compositions bitume-polymère stables au stockage et ayant une bonne tenue à la température: en effet, le fait d'utiliser 85 à 98 % en poids de bitume sélectionné parmi les bitumes qui ont une pénétrabilité comprise entre 30 et 220 dixièmes de mm à C, un point de ramollissement compris entre 35 et 55 "C et un indice de pénétrabilité compris entre -1,5 et +1,5, n'apporte pas l'assurance d'obtenir de manière certaine et à partir de n'importe quel bitume des compositions bitume- polymère stables au stockage. En effet, au cours de ses travaux dans le domaine, la Demanderesse a mis en évidence le fait que, d'une façon surprenante, une teneur minimale en composés aromatiques dans la composition bitume-polymère, ainsi qu'un rapport particulier de la teneur en composés aromatiques à la teneur en polymère confèrent à ladite composition des propriétés de stabilité au stockage et de bonne tenue à froid. Le but de la présente invention est donc l'obtention de compositions bitume-polymère ayant des propriétés physiques améliorées par rapport au bitume non additionné de polymère et en outre stables au stockage. A cet effet, l'invention a pour objet une composition bitume-polymère aromatique comprenant: a) au moins 25 à 97 % en poids d'un bitume, b) au moins 1 à 25 % en poids d'un polymère, et c) au moins 2 à 50 % en poids de composés aromatiques, ladite composition étant caractérisée en ce que: sa teneur en composés aromatiques est supérieure à 2 % en poids, - le rapport entre sa teneur en composés aromatiques et sa teneur en polymère est compris entre 0,5 et 10, et - elle possède un point de FRAASS égal ou inférieur à -13"C et une stabilité au stockage définie par son "A bille-anneau" et son "A pénétrabilité" inférieurs ou égaux à 5. Dans cet objet de l'invention et dans la suite de la présente description, la pénétrabilité est mesurée conformément à la norme AFNOR NFT 66004, le point de ramollissement est déterminé conformément à la norme AFNOR NFT 66008 (il est dit "billeanneau" en raison de la méthode employée), l'indice de pénétrabilité est déterminé conformément à la méthode des Ponts et Chaussées RLB1-1964, et le point de Fraass, indicateur de la fragilité à froid, est déterminé conformément à la norme AFNOR T66-026. La stabilité au stockage est déterminée en stockant à 1650 C pendant 4 jours un échantillon de la composition dans un récipient cylindrique et en déterminant la température "bille-anneau" et la pénétrabilité des couches supérieure et inférieure de l'échantillon. On peut ainsi obtenir les différences "delta" bille- anneau et "delta" pénétrabilité entre les couches supérieure et inférieure. Plus les delta (notés A par la suite) sont faibles, plus les compositions sont stables. Au sens de la présente invention, le bitume utilisable dans la composition bitume-polymère peut être un bitume qui sera appelé ci-après bitume "naturel", pour le différencier du bitume "synthétique" décrit plus loin. Ce bitume naturel peut en particulier être tiré du pétrole brut, des schistes bitumineux, d'huiles lourdes, de sable bitumineux ou même de charbon. Le bitume naturel peut être, par exemple: a) la fraction la plus lourde obtenue par distillation directe sous pression atmosphérique ou sous pression réduite d'un pétrole brut; b) la phase lourde obtenue par désasphaltage au solvant d'une fraction lourde obtenue selon a); c) le produit de l'oxydation, en présence ou non de catalyseurs, d'une fraction lourde selon a) ou d'une phase lourde selon b); d) le produit de l'oxydation, en présence ou non de catalyseurs d'un mélange d'une fraction lourde selon a) ou d'une phase lourde selon b) et - d'un distillat, ou d'un extrait aromatique obtenu dans la désaromatisation des huiles lubrifiantes, ou - d'un brai de désasphaltage e) un mélange d'un produit oxydé obtenu selon c) et d) ou d'une phase dure, et - d'un distillat, ou d'un extrait aromatique obtenu dans la désaromatisation des huiles lubrifiantes, ou - d'un brai de désasphaltage, ou - d'une fraction lourde selon a) ou d'une phase lourde selon b); f) une base viscoréduite, seule ou en mélange avec un ou plusieurs des produits ci-dessus; g) un des produits obtenus en a) et en f) en mélange avec - un distillat, ou - un extrait aromatique obtenu dans la désaromatisation des huiles lubrifiantes, ou - un brai de désasphaltage, ou - une fraction lourde aromatique ("slurry catalytique") issue d'un procédé de craquage catalytique. Le bitume utilisable peut être également un bitume synthétique ayant des caractéristiques voisines de celles d'un bitume "naturel" tel que décrit ci-dessus, par exemple un liant synthétique clair colorable par addition de pigments. Il peut être, par exemple, constitué de résines de pétrole ou de résine indène-coumarone, en mélange avec des hydrocarbures aromatiques et/ou paraffiniques. De telles résines de pétrole peuvent être préparées par polymérisation d'hydrocarbures insaturés présents dans des fractions pétrolières insaturées, telles que les fractions obtenues par craquage thermique ou à la vapeur d'eau ou par pyrolyse. De leur côté, les résines indène-coumarone sont généralement obtenues à partir des goudrons de houille. Le polymère utilisable dans la composition selon l'invention peut être, par exemple, un plastomère ou un polymère présentant des chaînes hydrocarbonées à hydrogène mobile, notamment choisi dans le groupe constitué par les caoutchoucs naturels ou les caoutchoucs synthétiques, comme les copolymères de styrène et de butadiène" statistiques, S.B.R. ("styrene-butadiene-rubber"), ou séquences, S.B.S. ("styrène-butadiène-styrène"), linéaires ou étoilés, ou S.I.S. ("styrène-isoprène-styrène"). Le bitume est choisi, du point de vue de sa constitution, pour avoir une bonne compatibilité avec le polymère en adaptant les teneurs respectives de bitume en hydrocarbures saturés, en aromatiques, en résines et en asphaltènes. La composition bitume- polymère selon l'invention peut contenir jusqu'à 25 % en poids de polymère, la teneur en polymère étant choisie en fonction de la nature du polymère, du bitume et des qualités désirées pour l'utilisation visée. Dans le cas des applications routières (enrobés, enduits superficiels, émulsions), la composition bitume-polymère contient de préférence de 2 à 7 % en poids de polymère: - en dessous de 2 % en poids de polymère, l'addition de polymère dans le bitume est considérée comme ayant peu d'effet sur les propriétés de la composition, - au-dessus de 7 % en poids de polymère, le prix du polymère rend trop onéreuse l'application routière. En outre, la viscosité de la composition augmente et devient incompatible avec le matériel utilisé pour ces applications. Mais, dans le cas d'applications industrielles telles que par exemple les chapes d'étanchéité, la composition contient de préférence plus de polymère, souvent plus de 10 % en poids, pour obtenir au contraire une viscosité élevée et une température de bille-anneau élevée, de manière à résister à la température. La composition selon l'invention peut contenir un copolymère de styrène et de butadiène, statistique ou séquencé, notamment séquencé (SBS), linéaire ou étoilé. Il peut s'agir de mélanges de différents polymères (et/ou d'un même polymère) de caractéristiques différentes, par exemple de masses moléculaires différentes. Certains bitumes présentent une aromaticité intrinsèque mais, dans la plupart des applications, celle-ci s'avère généralement insuffisante pour conférer à la composition finale des propriétés nécessaires de stabilité au stockage et de tenue à froid. Aussi, le composé aromatique qu'il est nécessaire d'ajouter conformément à l'invention peut être issu des coupes suivantes: coupes provenant de la conversion non hydrogénante (en particulier des coupes issues du craquage catalytique, du craquage thermique, du coking, de la viscoréduction, de la pyrolyse), de la désaromatisation des bases lubrifiantes, de la désaromatisation des coupes pétrolières (par exemple au furfural), ou d'un mélange d'une ou plusieurs de ces coupes. Le composé aromatique est ajouté en une quantité variable selon sa nature et l'origine du bitume utilisé, mais la composition bitume- polymère a, de préférence, une teneur en composés aromatiques supérieure à 4 % en poids. Les composés aromatiques utilisés sont issus de coupes pétrolières aromatiques de point initial de distillation supérieur à 200"C, de préférence supérieur à 300 C, et présentent les caractéristiques suivantes: - une viscosité cinématique supérieure à 5 mm2/s à 1000 C, de préférence supérieure à 20 mm2/s, - un point éclair Cleveland supérieur à 170 C, de préférence supérieur à 200 C,et - une teneur en cycles aromatiques supérieure à 50 % en poids, de préférence supérieure à 65 % en poids. Le point initial de distillation est mesuré selon la norme ASTM D-1160, la viscosité cinématique est mesurée selon la norme ASTM D2170, le point éclair est mesuré selon la norme AFNOR EN 22592 et la teneur en cycles aromatiques est mesurée par la méthode "SARA" de chromatographie en phase liquide HPLC publiée par le GSEE (Groupement Scientifique Européen de l'Etanchéité) dans les cahiers du CSTB NO 2555. D'autre part, la Demanderesse a mis en évidence le fait que plus la teneur en polymère dans la composition bitume- polymère est importante, plus ladite composition doit posséder d'aromaticité pour être stable au stockage et présenter une bonne tenue à froid. Inversement, lorsque la teneur en polymère est moins importante, une faible aromaticité de la composition bitume-polymère suffit pour lui conférer de bonnes propriétés. La Demanderesse considère comme essentielle cette proportionalité entre la teneur en composés aromatiques et la teneur en polymère dans la composition bitume-polymère, et c'est ainsi que, conformément à l'invention, le rapport de la teneur en composés aromatiques à la teneur en polymère est compris entre 0,5 et 10, le rapport optimal étant compris entre 0,8 et 6. Les valeurs de ce rapport varient selon l'origine des bruts pétroliers dont sont issus les bitumes et selon le type de composés aromatiques considérés. Les procédés de préparation de la composition ci-dessus et ses applications constituent d'autres objets de l'invention. Les compositions bitumes-polymères sont préparées par mélange, à une température de préférence comprise entre 190 et 300 C, plus particulièrement entre 220 et 260 C, pendant un temps de préférence supérieur à 30 minutes. Elles sont traitées selon le procédé de l'invention en ajoutant un composé aromatique au bitume avant l'introduction du polymère dans le bitume et/ou ultérieurement, par exemple en ajoutant au bitume le polymère sous forme d'une solution du polymère dans le composé aromatique. La composition bitume-polymère traitée selon le procédé de l'invention allie une bonne stabilité au stockage et une bonne tenue à froid. Cette composition peut être utilisée notamment avec des granulats ou charges classiques dans des applications routières: a) en l'état, pour la réalisation d'enrobés ayant une bonne tenue à l'orniérage et une excellente résistance à la fatigue; b) en l'état, ou fluxée par une coupe hydrocarbonée, pour la réalisation d'émulsions aqueuses bitumineuses ayant d'excellentes caractéristiques de vitesse de rupture et une excellente tenue mécanique; c) fluxée par une coupe hydrocarbonée, pour la réalisation d'enduits superficiels anhydres à hautes performances mécaniques. La composition selon l'invention est donc un liant multifonctionnel. Les exemples qui suivent sont destinés à illustrer l'invention de façon non limitative. EXEMPLE 1 Cet exemple concerne la préparation selon l'invention de différentes compositions à partir d'un polymère P et de différents bitumes B, et leur comparaison avec des compositions bitume-polynmère de l'état de la technique. 1. Polymère P: Le polymère est un copolymère "styrènebutadiène-styrène" SBS de type étoilé, ayant les caractéristiques suivantes: - rapport massique styrène-butadiène: 30%, - masse moléculaire en poids Mw: 300 000. 2. Bitumes B: On dispose de cinq bitumes B1, B2, B3, B4 et B5, dont les caractéristiques sont données dans le Tableau I ci-après. TABLEAU I Bitumes B1 B2 B3 B4 Bs (2) (2) (2) (2) (2) Bille-anneau 46,2 55,2 50,9 51,0 65,5 en C Pénétrabilité 86 42 61 63 16 en 1/10e de mm à 250C Point de -15 -9 -11 -12 -3 FRAASS en OC (1) _ _ (1) Le point de FRAASS est un indicateur de la fragilité à froid et est déterminé conformément à la norme AFNOR T66- 026. (2) Les bitumes B1, B2, B3, B4 et B5 sont obtenus en mélangeant deux bases bitnmineuses BA et BB conformément au Tableau II ci-après. TABLEAU I I Bitumes % de BA % de BB B1 30 70 B2 60 40 B3 45 55 B4 40 60 B5 100 0 La base BA est un résidu sous vide de distillation directe (base dure) issu d'un mélange de bruts contenant 50% de brut type Maya et 50% de brut type Isthmus. La base BB est un résidu sous vide de distillation directe (base molle) issu d'un mélange de bruts contenant % de brut type Maya et 50% de brut type Isthmus. Les caractéristiques des bases bitumineuses sont données dans le Tableau III ci-après. TABLEAU I I I Bases bitumineuses BA BB Bille-anneau en C 65,5 40 Pénétrabilité en 16 182 1/10è de m à 25 C 3 - Compositions bitume-polymère à caractère aromatique: On mélange en quantités variables un bitume B1, B2, B3, B4 ou B5, le polymère P et un composé aromatique pouvant être A1 ou A2, tous deux issus de la désaromatisation des coupes pétrolières au furfural, ou A3, issu de la coupe il "slurry", (c'est-à- dire du résidu de distillation des effluents d'une unité de craquage catalytique, après séparation de la coupe HCO (High Cycle Oil)). Le composé A1 présente un point initial de distillation de 430 C, une viscosité cinématique à 1000C comprise entre et 75 rm2/s, un point éclair Cleveland supérieur ou égal à 230 C et une teneur en composés aromatiques de 81,4 % en poids. Ces mesures sont effectuées suivant les normes définies dans la description. Le composé A2 présente un point initial de distillation de 400"C, une viscosité cinématique à 1000C comprise entre 24 et 39 mm2/s, un point éclair Cleveland supérieur ou égal à 220"C et une teneur en composés aromatiques de 82,2 % en poids. Le composé A3 présente un point initial de distillation de 350 C, une viscosité à 100 C de l'ordre de 17 mm2/s et une teneur en composés aromatiques de 68,1 % en poids. On procède d'abord au mélange du bitume et du composé aromatique, puis on ajoute à 250"c et pendant 2 heures le polymère P. Les compositions obtenues, notées de 1 à 7, sont présentées dans le Tableau IV ci-après. TABLEAU IV Compositions Constituants 1 2 3 4 5 6 7 % de Bi 95 % de B2 85,5 % de B3 91,2 % de B4 90,25 %de B5 100 71,25 46,55 %deP 0 5 5 5 5 5 5 %de A1 0 0 0 3,8 0 0 0 %de A2 0 9,5 0 0 4,75 0 0 %de A3 O 0 0 0 0 23,75 48,45 Les caractéristiques des compositions obtenues sont données dans le Tableau V ci-après. TABLEAU V Compositions Caractéristiques 1 2 3 4 5 6 7 Bille-anneau en C 65,5 83,8 93,0 77,9 78,8 86 non mesurable Pénétrabilité en 1/10è de mm 16 48 50 47 45 60 non à 25 C mesurable Point de Frass -3 -22 -16 -24 -18 -20 non en oC mesurable Stabilité au stockage O O 70 1 2 2 O (A bille-anneau) stabilité au O 1,3 38 0,1 0,1 O O stockage (4) (A pénétrabilité) Stabilité au oui oui non oui oui oui oui Stockage Tenue à froid non oui oui oui oui oui non (4) la stabilité au stockage est déterminée en stockant à C pendant 4 jours un échantillon de la composition dans un récipient cylindrique et en mesurant le bille-anneau et la pénétrabilité des couches supérieure et inférieure de l'échantillon. Plus la différence entre ces valeurs est faible, plus les compositions sont stables. Ce Tableau V montre bien que les compositions selon l'invention, c'est-àdire ayant une teneur en aromatiques supérieure à 2 % et dont le rapport teneur en aromatiques sur teneur en polymère est compris entre 0, 5 et 10 ont à la fois un bon point de FRAASS et une bonne stabilité au stockage. EXEMPLE 2 Cet exemple concerne une variante du procédé de préparation des compositions bitumes-polymères à caractère aromatique selon l'invention. Dans cet exemple, la composition est obtenue par préparation d'une solution-mère de polymère-composé aromatique que 1 'on incorpore ensuite au bitume. Le polymère choisi est le polymère P de l'Exemple 1 et le composé aromatique est le composé noté A2 dans 1 'Exemple 1. Le Tableau VI présente les caractéristiques des solutions- mères S1 et S2 ainsi préparées. TABLEAU V I Solutions-mères S1 S2 % de P 19 19 % de A2 81 81 Température de 200 180 mélange (Oc) Durée du mélange 1 3 (heures) Quantité (Kg) 0,8 3 On mélange ensuite les solutions-mères préparées au bitume B5 de l'Exemple 1 dans les conditions de mélange définies dans le Tableau VII ci-après. TABLEAU VII c ompositions Caractéristiques 1 2 % de B5 74 74 % de Sl 26 % de S2 26 Température de mélange ( C) 250 170 Durée du mélange 1 1,5 (heures) Quantité 0,8 3 (kg) Les caractéristiques des compositions obtenues sont présentées dans le Tableau VIII ci-après. TABLEAU VIII Compositions Caractéristiques 1 2 Bille-anneau en C 86 78 Pénétrabilité en 1/10è 67 80 de mm à 25 C Point de Fraass en C -21 -20 Stabilité au stockage(5) 2 41 ( bille- anneau) Stabilité au stockage (5) 2 55 (A pnétrabilité) Stabilité au stockage oui non Tenue à froid oui oui (5) La stabilité au stockage est mesurée de la mème manière que dans l'exemple 1. Ce Tableau VIII montre bien que les compositions bitume- polymère à caractère aromatique préparées dans les conditions opératoires selon l'invention et en incorporant dans le bitume un polymère en solution dans un composé aromatique présentent une bonne tenue à froid et une bonne stabilité au stockage. REVENDICATIONS 1. Composition bitume-polymère comprenant: a) au moins 25 à 97 % en poids d'un bitume, b) au moins 1 à 25 % en poids d'un polymère, et c) au moins 2 à 50 % en poids de composés aromatiques, ladite composition étant caractérisée en ce que - sa teneur en composés aromatiques est supérieure à 2 % en poids, - le rapport entre sa teneur en composés aromatiques et sa teneur en polymère est comprise entre 0, 5 et 10, et - elle possède un point de FRAASS égal ou inférieur à -13 C et une stabilité au stockage définie par son -A bille-anneau" et son "A pénétrabilité" inférieurs ou égaux à 5. 2. Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce que les composés aromatiques proviennent de coupes pétrolières aromatiques et ont une teneur en cycles aromatiques supérieure ou égale à 50 % en poids, de préférence supérieure ou égale à 65 % en poids. 3. Composition selon la revendication 2, caractérisée en ce que les coupes pétrolières aromatiques présentent un point initial de distillation supérieur à 200 C, de préférence supérieur à 300 C. 4. Composition selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les composés aromatiques ont une viscosité cinématique supérieure à 5 mmnn2/s à 1000 C, de préférence supérieure à 20 mm2/s. 5. Composition selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les composés aromatiques ont un point éclair Cleveland supérieur à 170 C, de préférence supérieur à 200 C. 6. Composition selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que sa teneur en composés aromatiques est de préférence supérieure à 4 % en poids. 7. Composition selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le rapport entre sa teneur en composés aromatiques et sa teneur en polymère est compris entre 0,8 et 6. 8. Composition selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le polymère est un polymère présentant des chaînes hydrocarbonées à hydrogène mobile et choisi dans le groupe constitué par les caoutchoucs naturels ou synthétiques, comme les copolymères styrene-butadiene statistiques S.B.R. ("styrene- butadiene-rubber") ou séquences S.B.S. ("styrène-butadiène-styrène"), linéaires ou étoilés, ou S.I.S. ("styrène-isoprène-styrène"). 9. Composition selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le polymère est un copolynère -styrène- butadiène-styrène" linéaire ou séquencé. 10. Composition selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend un bitume "naturel". 11. Composition selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'elle comprend un bitume "synthétique". 12. Procédé de préparation d'une composition selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'on mélange le bitume, le polymère et le composé aromatique à une température de préférence comprise entre 190 et 3000 C, plus particulièrement entre 220 et 2600C, pendant une durée de préférence supérieure à 30 minutes. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'on ajoute le composé aromatique préalablement au mélange bitume-polymère, ou préalablement au bitume et/ou au polymère, et/ou au cours du mélange. 14. Application d'une composition selon l'une des revendications 1 à 11, à la réalisation d'enrobés. 15. Application d'une composition selon l'une des revendications 1 à 11, à la réalisation d'émulsions. 16. Application d'une composition selon l'une des revendications 1 à 11, à la réalisation d'enduits superficiels.