Brevet FR2742174A3 — publié le 19970613

FR 2742174 A3 19970613 FR 9514715 A 19951212 L'invention a trait à un procédé de préparation d'enrobés bitumineux renfermant des déchets de matières plastiques et présentant des caractéristiques améliorées, notamment en ce qui concerne la résistance à l'ornièrage et à la fissuration. Les enrobés bitumineux, dont il est fait un large usage dans la construction, la rénovation et l'entretien des voies routières, consistent en granulats minéraux de distribution granulométrique choisie, revêtus d'une pellicule d'un liant bitumineux tel que bitume, goudron, mélange bitume/goudron, composition bitume/polymère non réticulée ou réticulée, par exemple au soufre. Ces enrobés sont généralement obtenus par malaxage, après séchage et préchauffage éventuels, d'une charge de granulats minéraux, ayant une distribution granulométrique sélectionnée en fonction de l'application envisagée, avec une quantité contrôlée, généralement comprise entre 2 % et 10 % du poids des granulats minéraux, du liant bitumineux maintenu à l'état fondu au cours de l'opération de malaxage. Comme indiqué plus haut, la charge de granulats minéraux, utilisée pour produire les enrobés, présente une distribution granulométrique qui dépend de l'utilisation à laquelle sont destinés les enrobés. Ladite charge de granulats minéraux est formée en mélangeant des quantités calculées de fractions de granulats minéraux, par exemple graviers, sable, fines minérales, ayant des granulométries différentes de telle sorte que le mélange obtenu possède une distribution granulométrique correspondant à la distribution choisie. Les enrobés bitumineux ont fait l'objet de nombreuses études visant à améliorer certaines de leurs caractéristiques physiques et/ou mécaniques dans le but de remédier à certaines insuffisances dans des domaines d'utilisation particulièrement sensibles à l'apparition de dégradations telles que l'ornièrage et la fissuration de retrait thermique et de fatigue, notamment pour des traversées d'agglomérations, des revêtements d'ouvrages d'art ou de voies lourdes. On a également proposé de modifier les enrobés bitumineux produits à partir de granulats minéraux en associant des matières plastiques broyées, notamment issues de déchets de matières plastiques, aux granulats minéraux soumis au malaxage en présence du liant bitumineux à l'état fondu. Par exemple, comme indiqué dans la citation NL-A-9201765, des déchets de matières plastiques ayant une taille comprise entre 2 mm et 5 mm, obtenus par broyage, par exemple, d'emballages ménagers usés en matières plastiques, sont incorporés, froids, au produit résultant du malaxage des granulats minéraux préchauffés et du bitume. On peut encore, comme décrit dans la citation JP-A-06192578, incorporer les déchets de matières plastiques broyés aux granulats minéraux par mélangeage à sec, et malaxer ensuite le mélange obtenu avec la quantité requise de bitume à l'état fondu. Les enrobés bitumineux produits jusqu'ici à partir de granulats minéraux, de déchets de matières plastiques broyés et d'un liant bitumineux présentent encore des insuffisances pour une utilisation à grande échelle. Selon l'invention, on propose un procédé de production d'enrobés bitumineux du type ci-dessus, qui conduit à l'obtention d'enrobés possédant des caractéristiques mécaniques améliorées, notamment en ce qui concerne la résistance à l'ornièrage et à la fissuration. L'invention a donc pour objet un procédé de production d'enrobés bitumineux à partir de granulats minéraux, de déchets d'une ou plusieurs matières plastiques et d'un liant bitumineux, par malaxage des granulats minéraux et des déchets de matière(s) plastique(s) avec une quantité du liant bitumineux comprise entre 2 % et 10 %, de préférence entre 3,5 % et 7 %, du poids total de granulats minéraux et de déchets de matière(s) plastique(s), ledit procédé se caractérisant en ce que on sélectionne une distribution granulométrique de granulats correspondant à une utilisation choisie des enrobés, on constitue une charge mixte de granulats en associant P parties pondérales des déchets de matière(s) plastique(s) en paillettes ayant au moins une granulométrie (x,y) contenue dans la distribution granulométrique sélectionnée, x étant la taille, en mm, de la maille du plus petit tamis à travers lequel passe la quasi totalité des paillettes et y étant la taille, en mm, de la maille du tamis retenant la quasi totalité desdites paillettes, et Q parties pondérales de granulats minéraux ayant une distribution granulométrique complétant la granulométrie des P parties de paillettes pour reconstituer la distribution granulométrique sélectionnée, P et Q étant tels que P n'excède pas 100 % de la fraction de granulométrie (x,y) de la distribution granulométrique sélectionnée et que le p rapport p+Q, exprimé en pourcentage, soit compris entre 0,1 % et 15 % et plus particulièrement entre 0,5 % et 10 %, et on produit les enrobés à partir de la charge mixte ainsi obtenue. Selon l'invention, on peut utiliser les déchets d'objets produits à partir des matières plastiques les plus diverses comme, par exemple, homopolymères du chlorure de vinyle, copolymères du chlorure de vinyle (VCM) avec des monomères divers et notamment copolymères VCM/acétate de vinyle, copolymères VCM/éthylène/acétate de vinyle et copolymères VCM/acrylate d'alkyle, polystyrène, homopolymères d'oléfines tels que polyéthylène, polypropylène ou polybutène, copolymères d'oléfines entre elles tels que copolymères éthylène/propylène ou copolymères éthylène/butène, copolymères d'éthylène et de monomères vinyliques polaires tels que copolymères éthylène/acétate de vinyle ou copolymères éthylène/acrylate ou méthacrylate d'alcoyle, polyamides, polyesters.Lesdits déchets sont employés sous la forme de paillettes, notamment paillettes résultant du broyage d'objets divers en matière(s) plastique(s) et, par exemple, du type corps creux. Lesdites paillettes ont des granulométries (x, y) telles que 0,08 mm S y Les granulats minéraux auxquels on fait appel pour la production des enrobés bitumineux sont généralement des mélanges de composantes minérales ayant des granulométries différentes, par exemple composante du type gravier, composante du type gravette ou gravillon, composante du type sable et composante du type fines minérales, cette dernière composante ayant une granulométrie inférieure à 0,08 mm. La charge mixte de granulats utilisée selon l'invention est formée en associant, à une quantité P de paillettes de déchets de matière(s) plastique(s) de granulométrie (x, y), des quantités appropriées des composantes minérales mentionnées ci-dessus pour obtenir une quantité Q d'éléments minéraux ayant une distribution granulométrique complétant la granulométrie (x, y) de ladite quantité P de paillettes pour reconstituer la distribution granulométrique sélectionnée correspondant à l'application envisagée pour les enrobés produits à partir de ladite charge mixte, les grandeurs P et Q variant comme indiqué plus haut. Avantageusement, les granulats minéraux entrant dans la composition de la charge mixte de granulats présentent des granulométries inférieures à 30 mm, c'est-à-dire que la quasi totalité desdits granulats minéraux passe au tamis de taille de maille égale à 30 mm, et notamment inférieures à 20 mm. La teneur en liant bitumineux, à associer à la charge de granulats pour produire les enrobés bitumineux, est une grandeur normalisée (norme NF P 98-132) définie, en pourcentage pondéral de ladite charge, par la relation 2,65 en liane 5 Teneur en liant = K x ' x 5qi dans laquelle pr K est une grandeur appelée "module de richesse" et présentant une valeur spécifique pour chaque type d'application des enrobés , pr est la masse volumique réelle des granulats exprimée en g/cm3 , et E est une valeur liée à la surface spécifique des granulats et exprimée par la relation 100 z = 0,25 G + 2,3 S + 12s + 135 f, où G, S, s et f désignent les pourcentages pondéraux des éléments ayant une granulométrie respectivement supérieure à 6,3 mm, comprise entre 0,315 mm et 6,3 mm, comprise entre 0,08 mm et 0,315 mm et inférieure à 0,08 mm. Le liant bitumineux, que l'on utilise dans le procédé selon l'invention, peut être choisi parmi les divers liants bitumineux connus. Ledit liant bitumineux peut être pris, par exemple, parmi les goudrons, les bitumes, les liants résultant de l'incorporation d'au moins un polymère à un bitume ainsi que les liants formés par vulcanisation d'au moins un élastomère et éventuellement d'au moins un polymère au sein d'un bitume au moyen d'un agent de couplage donneur de soufre ou encore les liants résultant de l'incorporation d'au moins un élastomère fonctionnalisé à un bitume. La production des enrobés selon l'invention et, en particulier, l'étape de malaxage de la charge mixte de granulats avec le liant bitumineux peuvent être réalisées de la manière habituelle en opérant dans les installations des centrales d'enrobage produisant les enrobés conventionnels, en introduisant les paillettes de déchets de matière(s) plastique(s) soit au niveau de l'anneau de recyclage des centrales dites continues soit au niveau du malaxeur dans les centrales dites discontinues. Selon un mode de mise en oeuvre, on effectue tout d'abord un malaxage du liant bitumineux avec les granulats minéraux entrant dans la composition de la charge mixte de granulats, puis on ajoute ensuite les paillettes des déchets de matière(s) plastique(s) au produit résultant de ce malaxage et l'on poursuit le malaxage jusqu'à ce que l'ensemble des granulats de la charge mixte, à savoir granulats minéraux et paillettes de déchets de matière(s) plastique(s) soit enrobé de manière satisfaisante. Selon un autre mode de mise en oeuvre, les granulats minéraux et les paillettes de déchets de matière(s) plastique(s), qui sont associés pour constituer la charge mixte de granulats, sont tout d'abord mélangés à sec et le mélange résultant est malaxé avec le liant bitumineux jusqu'à obtenir le degré requis d'enrobage des granulats minéraux et des paillettes de déchets de matière(s) plastique(s). Le malaxage du liant bitumineux avec les granulats minéraux et les paillettes de déchets de matière(s) plastique(s) peut-être réalisé en amenant le liant bitumineux à la zone de malaxage sous la forme d'une masse fondue et en mettant en oeuvre le malaxage à des températures telles que le liant bitumineux soit maintenu à l'état fondu durant l'opération complète de malaxage. Des températures comprises entre 100"C et 230 C et plus particulièrement entre 130"C et 200 C peuvent être utilisées à cet effet. On peut encore amener le liant bitumineux à la zone de malaxage sous la forme d'une émulsion aqueuse ayant une température inférieure à 100 C et mettre en oeuvre l'opération de malaxage de ladite émulsion avec les granulats minéraux et les paillettes de déchets de matière(s) plastique(s) à des températures inférieures à 100"C et par exemple allant de la température ambiante à 80"C. Les enrobés bitumineux, qui sont obtenus en faisant appel au procédé selon l'invention, sont utilisables dans les diverses applications des enrobés bitumineux conventionnels à la réalisation de revêtements, notamment revêtements routiers, et ils conduisent, notamment, à une résistance améliorée à l'ornièrage et à la fissuration. L'invention est illustrée par les exemples suivants, donnés à titre non limitatif. Dans ces exemples, les quantités et pourcentages sont exprimés en poids, sauf indication contraire. EXEMPLES 1 A 3 On préparait une série d'enrobés bitumineux témoins (exemple 1) et deux séries d'enrobés bitumineux selon l'invention (exemples 2 et 3) correspondant à une application des enrobés comme béton bitumineux semi grenu utilisable en épaisseur d'environ 6 cm. La distribution granulométrique théorique des granulats requise pour cette application est la suivante. Taille de Tamisats | Taille de Tamisats maille du cumulés **) | maille du cumulés tamis (mm)*) (%) | tamis (mm) (%) 12,5 100 2 40 10 95 1 30 8 78 0,5 21 6,3 59 0,315 16 5 50 0,16 11 4 45 0,08 8,2 3,15 43 *) Tamis à mailles carrées **)% de la charge totale de granulats passant au tamis de taille de maille indiquée. Pour la préparation de la série d'enrobés témoins (exemple 1), on faisait appel à une charge de granulats consistant uniquement en granulats minéraux. Pour la préparation des séries d'enrobés selon l'invention, on faisait appel à une charge mixte de granulats constituée soit de 98,2 % de granulats minéraux et de 1,8% de paillettes de déchets de matière(s) plastique(s) (exemple 2) soit de 95,2 % de granulats minéraux et de 4,8 % de paillettes de déchets de matière(s) plastique(s) (exemple 3). Le liant bitumineux employé pour produire chaque série d'enrobés consistait en un bitume ayant une pénétrabilité, déterminée selon la norme NF T 66 004 et exprimée en 1/10 de mm, comprise dans l'intervalle 70/100 et il était utilisé en quantité représentant 5,6 % de la quantité totale de granulats, à savoir granulats minéraux pour la série d'enrobés témoins et granulats minéraux et paillettes de déchets de matière(s) plastique(s) pour les séries d'enrobés selon l'invention. Les enrobés de chaque série étaient produits par malaxage de la charge correspondante de granulats avec le liant bitumineux maintenu à l'état fondu, en opérant dans un malaxeur planétaire à vis maintenu à 140 C, pour la série d'enrobés témoins, ou à 180"C pour les séries d'enrobés selon l'invention. Les charges de granulats utilisées pour produire les enrobés étaient constituées par mélange des composantes dont la nature et la proportion sont indiquées ci-après. Exemple 1 Exemple 2 Exemple 3 (Témoin) (Invention) (Invention) . sable de granulométrie 38 39 39 0/2 gravillons de 10 7,4 4,4 granulométrie 2/6 gravillons de 50 50 50 granulométrie 6/10 fines minérales d'apport 2 1,8 1,8 (granulométrie 0,08) e paillettes de déchets de - 0,9 2,4 polystyrène de granulométrie 2/5 paillettes de déchets de - 0,9 2,4 polyéthylène haute densité de granulométrie 3/8 Les distributions granulométriques des charges de granulats, que l'on donne ci-dessous, correspondaient à la distribution granulométrique théorique indiquée précédemment. Taille de maille Tamisats cumulés (%) du tamis à mailles carrées Exemple 1 Exemple 2 Exemple 3 (mm) (Témoin) (Invention) (Invention) 12,5 100 100 100 10 95 95 95 8 78 78 78 6,3 59 59 59 5 50 50 50 4 45 46 46 3,15 43 44 44 2 40 41 41 1 30 30 30 0,5 21 21 21 0,315 16 16 16 0,16 11 11 11 0,08 8,2 8,2 8,2 A partir des enrobés sortant du malaxeur, on réalisait, par moulage à chaud, des éprouvettes cylindriques, sur lesquelles on effectuait des essais de compression axiale (essais de type DURIEZ) et des essais de traction indirecte (essai ITT), et des éprouvettes parallélépipédiques pour des essais d'orniérage. Une description schématique de chacun desdits essais est donnée ci-après Essai de type DURIEZ : On réalise un écrasement de l'éprouvette cylindrique par compression axiale de cette éprouvette effectuée par un piston se déplaçant à une vitesse de 1 mm/s. La force exercée sur l'éprouvette par le piston et le déplacement de ce dernier sont enregistrés jusqu'à la rupture de l'éprouvette. On détermine une grandeur appelée résistance DURIEZ, correspondant à la force maximale enregistrée au cours de l'écrasement de l'éprouvette, et une grandeur appelée fluage DURIEZ, correspondant au déplacement du piston au maximum de la force. Les éprouvettes, dont le poids est égal à 1 kg et le diamètre est de 80 mm, sont préparées en transférant l'enrobé chaud issu du malaxeur dans des moules cylindriques de diamètre interne égal à 80 mm et en compactant le contenu des moules par compression double effet sous une charge de 6 tonnes pendant 5 minutes. Les éprouvettes sont ensuite refroidies naturellement dans les moules jusqu'à température ambiante, le démoulage ayant lieu 24 heures après la confection des éprouvettes. Les éprouvettes sont conservées à 18 C, à un taux d'humidité de 50 % pendant 7 jours avant de réaliser l'essai. Essai ITT On réalise un écrasement de l'éprouvette cylindrique par compression de cette éprouvette le long de deux génératrices diamétralement opposées à l'aide d'un piston se déplaçant avec une vitesse de 1 mm/s. I1 en résulte une déformation de l'éprouvette sous l'action des forces de traction, qui apparaissent sur les facettes perpendiculaires à la direction de l'écrasement. La force exercée sur l'éprouvette par le piston et le déplacement de ce dernier sont enregistrés jusqu'à la rupture de l'éprouvette. On détermine une grandeur appelée résistance ou stabilité ITT, correspondant à la force maximale enregistrée au cours de l'écrasement, et une grandeur appelée fluage ITT, correspondant au déplacement du piston au maximum de la force. Les éprouvettes, dont le poids est égal à 1,3 kg et le diamètre est de 104 mm, sont préparées en transférant l'enrobé chaud issu du malaxeur dans des moules cylindriques de diamètre interne égal à 104 mm et en compactant le contenu des moules par compression double effet sous une charge de 11 tonnes pendant 5 minutes. Les éprouvettes sont ensuite refroidies naturellement jusqu'à température ambiante, le démoulage ayant lieu 24 heures après la confection des éprouvettes. Les éprouvettes sont conservées à 18 C, à un taux d'humidité de 50 % pendant 6 jours avant la réalisation de l'essai. Les éprouvettes sont ensuite conditionnées à la température de l'essai pendant 24 heures. Essai d'orniérage (Norme NF P 98 253 1) On détermine la profondeur d'ornière par fluage au moyen de la simulation d'une charge de 500 kN roulant sur l'enrobé à une fréquence de 1 Hz, ladite détermination ayant lieu après un certain nombre de cycles de sollicitation de l'enrobé. Les éprouvettes, qui ont la forme d'un parallélépipède ayant une longueur de 50 cm, une largeur de 18 cm et une hauteur de 10 cm, sont préparées par moulage, comme décrit dans la norme précitée, à partir de l'enrobé chaud issu du malaxeur. Les résultats obtenus au cours des essais sont rassemblés dans le tableau qui suit. La comparaison des résultats figurant au tableau ci-après fait ressortir une amélioration substantielle du comportement des enrobés renfermant des déchets de matière(s) plastique(s) préparés en faisant appel au procédé selon l'invention par rapport au comportement des enrobés conventionnels, notamment en ce qui concerne la résistance à l'ornièrage et la résistance à la fissuration. TABLEAU Exemple 1 Exemple 2 Exemple 3 (Témoin) (Invention) (Invention) Essai de type DURIEZ Résistance (MPa) Fluage 3,5 5,1 5,2 (mm) Essai ITT . stabilité 3,1 3,6 4 (MPa) (mm) Essai d'orniérage Profondeur d'ornière (% de la hauteur initiale de l'éprouvette) à 100 cycles 5 1,3 0,3 300 cycles 10,3 1,5 0,3 1 000 cycles 19,8 2 0,6 3 000 cycles > 20 2,2 0,8 10 000 cycles > 20 2,6 0,9 30 000 cycles > 20 3 1,2 REVENDICATIONS 1 - Procédé de production d'enrobés bitumineux à partir de granulats minéraux, de déchets d'une ou plusieurs matières plastiques et d'un liant bitumineux, par malaxage des granulats minéraux et des déchets de matière(s) plastique(s) avec une quantité du liant bitumineux comprise entre 2 % et 10 % du poids total de granulats minéraux et de déchets de matière(s) plastique(s), ledit procédé se caractérisant en ce que on sélectionne une distribution granulométrique de granulats correspondant à une utilisation choisie des enrobés, on constitue une charge mixte de granulats en associant P parties pondérales des déchets de matière(s) plastique(s) en paillettes ayant au moins une granulométrie (x, y) contenue dans la distribution granulométrique sélectionnée, x étant la taille, en mm, de maille du plus petit tamis à travers lequel passe la quasi totalité des paillettes et y étant la taille, en mm, de maille du tamis retenant la quasi totalité desdites paillettes, et Q parties pondérales de granulats minéraux ayant une distribution granulométrique complétant la granulométrie des P parties de paillettes pour reconstituer la distribution granulométrique sélectionnée, P et Q étant tels que P n'excède pas 100 % de la fraction de granulométrie (x, y) de la distribution P granulométrique sélectionnée et que le rapport P+Q' exprimé en pourcentage, soit compris entre 0,1 % et 15 % ; et on produit les enrobés à partir de la charge mixte ainsi obtenue. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité de liant bitumineux est comprise entre 3,5 % et 7 % du poids global de granulats minéraux et de paillettes de déchets de matière(s) plastique(s). 3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les valeurs de P et Q sont telles que P le rapport p+Q, exprimé en pourcentage, soit compris entre 0,5 % et 10 %. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les paillettes de déchets de matière(s) plastique(s) ont des granulométries (x, y) telles que 0,08 mm 5 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les paillettes de déchets de matière(s) plastique(s) sont en au moins une matière plastique choisie parmi homopolymères duchlorure de vinyle, copolymères du chlorure de vinyle, polystyrène, homopolymères d'oléfines, notamment polyéthylène, polypropylène et polybutène, copolymères d'oléfines entre elles, copolymères d'oléfines et de monomères vinyliques polaires, polyamides et polyesters. 6 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les paillettes de déchets de matière(s) plastique(s) résultent du broyage d'objets divers en matière(s) plastique(s) et, en particulier, du type corps creux. 7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les granulats minéraux, associés aux paillettes de déchets de matière(s) plastique(s), ont des granulométries inférieures à 30 mm et, notamment, inférieures à 20 mm. 8 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le liant bitumineux est choisi parmi les goudrons, les bitumes, les liants résultant de l'incorporation d'au moins un polymère à un bitume, les liants formés par vulcanisation d'au moins un élastomère et éventuellement d'au moins un polymère au sein d'un bitume au moyen d'un agent de couplage donneur de soufre et les liants résultant de l'incorporation d'au moins un élastomère fonctionnalisé à un bitume. 9 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le malaxage de la charge mixte de granulats avec le liant bitumineux est réalisé en effectuant tout d'abord un malaxage du liant bitumineux avec les granulats minéraux entrant dans la composition de ladite charge mixte, puis en ajoutant les paillettes de déchets de matière(s) plastique(s) au produit résultant de ce malaxage et en poursuivant le malaxage jusqu'à obtenir le degré requis d'enrobage de l'ensemble des granulats de la charge mixte. 10 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les granulats minéraux et les paillettes de déchets de matière(s) plastique(s) sont mélangés à sec et le mélange résultant est malaxé avec le liant bitumineux jusqu'à obtenir le degré requis d'enrobage desdits granulats minéraux et paillettes de déchets de matière(s) plastique(s). 11 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le malaxage du liant bitumineux avec les granulats minéraux et les paillettes de déchets de matière(s) plastique(s) est réalisé dans une zone de malaxage, dans laquelle on introduit le liant bitumineux à l'état fondu et l'on maintient des températures telles que ledit liant bitumineux reste à l'état fondu durant l'opération complète de malaxage. 12 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le malaxage du liant bitumineux avec les granulats minéraux et les paillettes de déchets de matière(s) plastique(s) est réalisé dans une zone de malaxage, dans laquelle on introduit le liant bitumineux sous la forme d'une émulsion aqueuse et l'on maintient des températures inférieures à 100 C durant l'opération de malaxage. 13 - Application des enrobés obtenus par le procédé selon l'une des revendications 1 à 12, à la réalisation de revêtements et, notamment, de revêtements routiers.