Brevet FR2768518A1 — publié le 19990319

L'invention est relative à la fabrication de mélanges bitume/polymères, notamment destinés à la production de membranes d'étanchéité pour toitures. Les polymères utilisés dans ces mélanges peuvent être de natures diverses. On utilise classiquement des polymères recyclés ou sous forme de déchets, pour réduire le coût des matières premières. On peut notamment citer l'APP (polypropylene atactique) qui constitue un déchet de fabrication de l'IPP (polypropylene isotactique). Les caractéristiques physiques de ces polymères recyclés ne sont pas constantes. Or les fabricants de membranes d'étanchéité doivent respecter des spécifications techniques et garantir la qualité de leurs produits. Les fabricants ne disposent que de moyens empiriques pour prévoir les caractéristiques physiques d'un mélange bitume/polymères, lorsque l'on fait varier la quantité des polymères ou lorsque la nature des polymères est modifiée. Pour chaque nouveau polymère ou pour chaque nouvelle livraison d'un polymère recyclé ou sous forme de déchets, les fabricants doivent réaliser des essais pour ajuster la quantité de polymères dans le mélange. De plus, en pratique, les polymères sont utilisés en excès pour garantir la qualité du produit final, ce qui augmente les coûts. Enfin, des contrôles de qualité fréquents et coûteux sont nécessaires. Lorsqu'un contrôle de qualité fait apparaître que les caractéristiques du mélange bitume/polymères obtenu ne correspondent pas aux spécifications techniques, ce sont également des moyens empiriques qui sont mis en oeuvre pour corriger le mélange, notamment en y incorporant des quantités supplémentaires de polymères. Dans le domaine technique des membranes d'étanchéité, relativement ancien, ces moyens empiriques de détermination 2 2768518 des mélanges bitume/polymères sont les seuls à être utilisés. Le nombre d'essais est nécessairement limité pour ne pas bloquer la production. La mise en oeuvre de méthodes plus rationnelles est, de façon générale, rejetée, compte-tenu des risques de ralentissement de la fabrication. L'invention a pour objet de pallier ces inconvénients en proposant un procédé pour déterminer l'influence du pourcentage des différents polymères d'un mélange bitume/polymères sur au moins une caractéristique physique du mélange, à partir d'un nombre d'essais limité qui sont effectués une fois pour toutes, pour les polymères et le bitume en cause. Ainsi, le procédé selon l'invention consiste: - à réaliser un nombre limité de mélanges bitume/polymères, selon la méthode des plans d'expériences, les polymères et le bitume étant identiques dans tous les mélanges et les pourcentages respectifs des polymères pouvant être fixés à un niveau maximum ou à niveau minimum, d'une gamme de valeurs déterminée à l'avance pour chacun d'eux, - à mesurer la(les)dite(s) caractéristique(s) physique(s) pour chacun desdits mélanges, - et à en déduire, par des calculs statistiques, une modélisation de la(des)dite(s) caractéristique(s) physique(s). Le procédé selon l'invention présente l'avantage de pouvoir tenir compte de l'influence d'un autre polymère qui serait introduit dans le mélange. Le procédé consiste alors de plus: - à réaliser au moins quatre mélanges supplémentaires incorporant un autre polymère, - à mesurer la(les)dite(s) caractéristique(s) physique(s) pour chacun de ces mélanges supplémentaires, 3 2768518 - et à en déduire les modifications à apporter à la modélisation de la (des)dite(s) caractéristique(s) physique(s), pour tenir compte de l'introduction de cet autre polymère.5 Le procédé selon l'invention n'est pas limité à l'introduction d'un seul autre polymère, les étapes précédentes du procédé peuvent être répétées pour tout autre polymère qui devrait être introduit dans le mélange. Le mélange bitume/polymères peut comporter des charges. Le pourcentage de charges dans le mélange peut être constant. La(les) caractéristique(s) physique(s) du mélange est(sont) notamment la flexibilité à basse température à l'état neuf et à l'état vieilli, la viscosité Brookfield à 180 C, la pénétration à 25 C et 60 C et/ou la température de ramollissement. Pour la fabrication de membranes d'étanchéité, les polymères dudit mélange bitume/polymères sont choisis, à titre d'exemple, parmi les APP, IPP et les copolymères du type éthylène/propylène. L'invention concerne également un procédé pour déterminer au moins une caractéristique physique d'un mélange bitume/polymères en fonction des polymères utilisés. Ce procédé consiste: - à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention de détermination de l'influence du pourcentage des différents polymères du mélange sur la (les) dite(s) caractéristique(s) physique(s), - et à fixer les pourcentages de chaque polymère pour en déduire la valeur de la (des) dite(s) caractéristique(s) physique(s). L'invention concerne également un procédé d'obtention d'un mélange bitume/polymères présentant une (des) caractéristique(s) physique(s) du mélange souhaitée(s). 4 2768518 Le procédé consiste: - à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention de détermination de l'influence du pourcentage des différents polymères du mélange sur la(les) dite(s) caractéristique(s) physique(s), - à fixer une gamme de valeurs pour la(les)dite(s) caractéristique(s) et - à déduire le pourcentage de chaque polymère dans le mélange. Ce procédé consiste à déterminer les pourcentages des polymères en tenant compte de leur coût. Ces procédés permettent d'optimiser les mélanges bitume/polymères en termes de qualité et de coût de matières premières, tout en étant rapides et peu coûteux à mettre en oeuvre. L'invention concerne aussi un procédé de modification d'un mélange bitume/polymères présentant une(des) caractéristique(s) physique(s) déterminée(s) à modifier. Ce procédé consiste: - à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention de détermination de l'influence du pourcentage des différents polymères du mélange sur la (les) dite(s) caractéristique(s) physique(s), - à fixer d'autres valeurs de la(des)dite(s) caractéristique(s) physique(s) dudit mélange et - à calculer la quantité supplémentaire d'au moins un polymère à ajouter dans ledit mélange pour qu'il présente des caractéristiques physiques de valeurs sensiblement égale à ces autres valeurs. Tous ces procédés nécessitent de déterminer au préalable l'influence des différents polymères sur le mélange, mais leur mise en oeuvre ne nécessite aucun essai complémentaire lors de la fabrication. 2768518 L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit.5 L'optimisation des mélanges bitume/polymères nécessite de connaître l'influence de chacun des constituants du mélange sur les caractéristiques physiques de ce dernier. Les caractéristiques physiques retenues sont par exemple imposées par des normes ou classiquement choisies par les fabricants. On peut notamment citer: - la flexibilité à basse température (exprimée en degrés Celsius) à l'état neuf et à l'état vieilli (après 4 semaines à 80 C), mesurée selon une méthode dite UEATC (Union Européenne des Agréments Techniques de la Construction), - la viscosité Brookfield à 180 C (exprimée en centipoises), mesurée avec un appareil de mesure de viscosité rotatif (aiguille 28, vitesse 50 tours/mn), - la pénétration à 25 C, et à 60 C (exprimée en deci mm), mesurée selon la norme NFT 66-004, - la température de ramollissement (exprimée en degrés Celsius), mesurée selon la norme NFT 66-008. Dans la mesure o les caractéristiques physiques du bitume modifié par les polymères dépendent de la nature de chaque polymère et de son pourcentage dans le mélange, ainsi que du bitume choisi, un nombre considérable d'essais à réaliser est théoriquement nécessaire pour établir des caractéristiques physiques modélisées de façon fiable. Ceci est dissuasif pour l'homme du métier et c'est pourquoi aucun modèle n'a été mis au point dans ce domaine technique. L'invention utilise une méthode dite des plans d'expériences, qui permet de réduire le nombre de tests à réaliser pour modéliser les caractéristiques physiques du 6 2768518 mélange, tout en permettant d'obtenir des modèles fiables. De plus, cette méthode met en évidence les interactions entre les différents polymères. On peut à cet égard se référer à l'ouvrage de J. GOUPY: Editions Dunod en octobre 1988. L'application de cette méthode dans le domaine des mélanges bitume/polymères va maintenant être décrite. La modélisation des caractéristiques physiques du mélange est établie pour un bitume donné. Le bitume pris ici pour exemple présente les caractéristiques suivantes: BITUME Température de ramollissement (OC) 44.0 Pénétration à 25 C (mm/10) 112 Viscosité à 135 C (mm2/s) 290 Sa composition est la suivante: Bitume asphaltènes 16.3 résines 19.9 aromatiques 55.7 saturés 8.1 Dans cet exemple, le mélange bitume/polymères est chargé avec des charges minérales, dont le pourcentage dans le mélange est d'environ 18%. Les polymères qui entrent dans la composition d'un bitume modifié ne sont en général pas constitués d'un produit unique. Ils comprennent souvent différents IPP et APP ainsi que des copolymères. 7 2768518 Dans l'exemple qui est ici décrit, 6 polymères ont été retenus dont les caractéristiques sont les suivantes: IPP Polymère très dur et résistant dont l'indice de fluidité (Melt Flow Index) est de l'ordre de 8 APP1 Viscosité Brookfield à 180 C - 500 CP et pénétration à 25 C - 10-20mm/10 APP2 Viscosité Brookfield à 180 C - 3000 CP et pénétration à 25 (FBT4). Le pourcentage de polymères dans le bitume modifié est généralement compris entre environ 19 et 26 % en poids, le reste étant composé de bitume et de charges. Dans cette 8 2768518 gamme, le mélange se présente sous la forme d'une phase polymère continue dans laquelle le bitume est dispersé. Des études préalables ayant montré que beaucoup d'interactions pouvaient être négligées, le nombre de mélanges se réduit à 16. On réalise 16 mélanges, chaque mélange comprenant un pourcentage minimum ou maximum de chacun des 6 polymères, correspondant à un niveau maximum et à un niveau minimum d'une gamme de valeurs déterminée à l'avance pour chaque10 polymère. Par exemple, un de ces mélanges comprendra un niveau maximum d'IPP, d'APP2 et de COPO1 et un niveau minimum d'APP1, de COPO2 et COPO3. Egalement à titre d'exemple, les gammes de valeurs de chaque polymère sont les suivantes (% en poids): IPP: 2,5 - 3,5% COPO1: 1,7 - 2,8% APP1: 6,3 - 8,7% COPO2: 1,3 - 2,4% APP2: 4,8 - 6,2 % COPO3: 1,7 - 2,8% Des mélanges complémentaires ont également été réalisés, en utilisant le pourcentage moyen de chaque polymère, pour vérifier la linéarité des modèles et contrôler la reproductibilité des méthodes de mesure. Au total, 20 mélanges sont ainsi effectués. Les évaluations statistiques peuvent être effectuées au moyen d'un logiciel du type Stat Graphics Plus 1.1. A l'aide de cet outil informatique, les résultats des mesures obtenus pour chacune des caractéristiques physiques et pour chacun des 20 mélanges bitume/polymères, permettent de modéliser facilement les différentes caractéristiques physiques. Dans l'exemple ici décrit, les modèles obtenus sont les suivants en utilisant une notation normalisée en -1 et +1 des variables: 9 2768518 (1) TR: 153,1 + 0,92*IPP + 0,33*APP1 + 0,24*COPO3 + 0,22*IPP*COPO2 (2) Pen25oc: 35 - 2,13*IPP-0,56*APP1 (3) Pen60oc: 147 - 19,5*IPP - 5, 9*APP1 - 0,14*IPP*APP1 (4) Ln(Visc180c):7,89 + 0,087*IPP + 0, 028*APP1 + 0,13*COPO1 + 0,096*COPO2 + 0,083* COPO3 + 0,011*IPP*APP1 + 0,011*IPP * COPO2 (5) FBT: -15 + 0,69*IPP - 0,69*APP2 - 0,81*COPO1 (6) FBT4: -10,2 + 1,44*IPP -0,94*APP2 -0,94*COPO1 - 1,19* COP02 La constante qui apparaît dans chaque modèle donne une estimation de la caractéristique physique correspondante du mélange, pour une formulation de polymères comprenant des valeurs moyennes. Lorsque l'effet d'un polymère sur la constante en tête des modèles (1) à (6) est négligeable, le polymère n'apparaît pas dans le modèle. Par ailleurs, la méthode utilisée permet de mettre en évidence d'éventuelles interactions entre les polymères. Ces modèles font apparaître que la température de ramollissement et la pénétration à 25 et 60 C, dépendent essentiellement de la quantité d'IPP, alors que la viscosité et la flexibilité sont influencées par pratiquement tous les polymères, le pourcentage de chaque polymère variant dans les gammes précédemment indiquées. Pour un exemple de mélange, vont être indiquées les valeurs des caractéristiques physiques prédites par les modèles et les valeurs mesurées de ces mêmes caractéristiques physiques. Les pourcentages en poids des polymères dans l'exemple retenu (déjà indiqué précédemment) sont les suivants: IPP: 3,5 % COPO1: 2,8 % APP1: 6,3 % COPO2: 1,3 % APP2: 6,2 % COP03: 1,7 % 2768518 Pour cet exemple, les valeurs des caractéristiques physiques, données par les modèles (1) à (6) sont les suivantes: TR: 153,2 C Visc180oc: 2 640 CP Pen25Oc: 33,4 decimm FBT: -15,8 C Pen600c: 133 decimm FBT4: -9,5 C Les valeurs mesurées de ces mêmes caractéristiques physiques sont: TR: 153,5 C Visc180oc: 2 680 CP Pen25oc: 33 decimm FBT: -15 C Pen60Oc: 131 decimm FBT4 -9 C Cet exemple montre que les modèles (1) à (6) sont fiables. Ceci a également été confirmé par les nombreux essais réalisés. Les modèles, tels que (1) à (6) précédents, présentent par ailleurs un autre avantage considérable. Ils peuvent facilement être modifiés pour tenir compte d'un autre polymère. Par exemple, si un des copolymères qui ont été utilisés pour définir le modèle n'est plus en stock et se trouve remplacé par un nouveau copolymère, ou si un nouveau lot d'un des APP est reçu par le fabricant, les modèles précédemment mis au point ne sont pas directement utilisables. Cependant, il n'est pas nécessaire de remettre en oeuvre un plan d'expériences et de refaire l'ensemble des mesures, pour toutes les caractéristiques physiques, afin d'établir de nouveaux modèles. Pour déterminer l'influence du nouveau constituant, il a été établi qu'un nombre limité de mélanges, au minimum 4, et des mesures des caractéristiques physiques à modéliser étaient suffisants. La composition des mélanges avec le nouveau constituant sont choisies comme lors de l'élaboration du modèle initial, en retenant un pourcentage maximum, un pourcentage minimum et un pourcentage intermédiaire. Les résultats obtenus permettent de modifier de façon simple, rapide et peu coûteuse le modèle établi initialement pour intégrer le nouveau polymère. Les modifications que l'on peut apporter ne sont pas limitées à l'introduction d'un seul polymère dans les modèles. Le fabricant dispose donc très facilement de modèles adaptés aux produits qu'il détient effectivement en stock. Par exemple, si l'un des polymères n'est plus en stock, le modèle reste valable, il suffit d'adapter les quantités des autres polymères. Les modèles permettent aussi de déterminer les caractéristiques physiques d'un mélange donné, en fonction des pourcentages de polymères utilisés. Le fabricant peut alors retenir ou non le mélange, selon que ces caractéristiques entrent ou non dans les spécifications techniques auxquelles il doit se conformer sans avoir besoin de réaliser un mélange spécifique. Il peut également déterminer rapidement comment les quantités de chaque polymère doivent être modifiées pour respecter les spécifications techniques. Ceci constitue un avantage considérable par rapport aux méthodes classiques aujourd'hui utilisées et qui sont essentiellement empiriques: à chaque fois que l'on veut modifier la quantité d'un polymère (par exemple: ajout d'un nouveau polymère, ajustement d'une caractéristique physique du mélange, rupture de stock d'un polymère), le fabricant procède par tâtonnements en réalisant au moins un ou deux mélanges dans son laboratoire pour vérifier que les caractéristiques physiques du mélange respectent bien les spécifications techniques. La fréquence de ces modifications peut être supérieure à une par jour. 12 2768518 Enfin, ces méthodes empiriques sont relativement peu fiables. C'est pour cette raison que les fabricants ont tendance à surdoser les polymères présents dans le mélange. Or, ce surdosage grève le coût des mélanges et donc des membranes d'étanchéité. Le fabricant peut également utiliser les modèles pour optimiser la formulation du mélange, en déterminant les pourcentages de chaque polymère en fonction de caractéristiques physiques de valeur donnée et en intégrant éventuellement des questions de coût, ou des paramètres de manufacturabilité (par exemple la nature des armatures de renforcement utilisées). Ainsi, le fabricant n'a besoin d'effectuer qu'un nombre limité de tests une fois pour toutes. A partir des modèles établis, il peut établir de nouvelles formulations du mélange, pour un bitume donné, répondant à des spécifications particulières. Aucun autre test n'est nécessaire. Ceci constitue un avantage par rapport aux méthodes empiriques classiques qui demandent systématiquement de nouveaux essais, lorsque les spécifications concernant les caractéristiques physiques du mélange sont modifiées. L'invention comporte également des avantages lors des contrôles en cours de fabrication. Les fabricants effectuent classiquement ces contrôles, notamment en réalisant des prélèvements qui sont ensuite analysés. Si les tests montrent que le mélange bitume/polymères obtenu ne respecte pas les spécifications techniques, il faut d'une part, modifier la formulation du mélange en amont et d'autre part, corriger le mélange déjà obtenu pour qu'il réponde aux spécifications. Cette méthode est longue et coûteuse à mettre en oeuvre et comporte de nombreux aléas. 13 2768518 L'invention permet tout d'abord de corriger les éventuels écarts en fabrication par rapport aux spécifications techniques de façon simple. Des prélèvements sont effectués sur le mélange fabriqué. Des mesures des caractéristiques physiques du mélange sont effectuées et comparées avec les valeurs théoriques attendues par l'utilisation des modèles ou les spécifications techniques. Si un écart notable est constaté, le fabricant effectue des investigations. Elles mettent, par exemple, en évidence une erreur dans le chargement du bitume ou d'un des polymères. Cette erreur est donc corrigée immédiatement. Elle permet également de facilement corriger le mélange déjà obtenu, cette correction étant obtenue en ajoutant des constituants. Là encore, les modèles précédemment établis servent à déterminer facilement la correction à apporter, puisqu'ils permettent d'anticiper l'effet d'un ajout d'un constituant. A titre d'exemple, si le mélange obtenu n'est pas assez visqueux, le modèle (4) permet de facilement prédire l'effet d'un changement de quantité d'un polymère, par exemple l'IPP ou le COPO2. Le fabricant peut ainsi aboutir, sans tests complémentaires, à plusieurs solutions de correction du mélange. Il effectuera alors un choix, notamment sur des critères de coûts. Il convient de noter que les caractéristiques physiques d'un mélange sont modélisées pour un bitume déterminé. La comparaison des modèles établis pour plusieurs bitumes donne également au fabricant des indications sur le choix du bitume, en fonction des polymères utilisés et des caractéristiques physiques souhaitées. Iii II -Im _.,........ 14 2768518 Ainsi, l'invention permet au fabricant de mélanges bitume/polymères de prévoir les effets d'un changement de la composition des polymères sur les caractéristiques physiques du mélange. En connaissant à l'avance l'influence de chaque polymère, pour un bitume donné, il peut adapter la composition de polymères, sans que des tests complémentaires soient nécessaires et il peut respecter les spécifications techniques qui lui sont imposées. 2768518 REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination de l'influence du pourcentage des différents polymères d'un mélange bitume/polymères sur au moins une caractéristique physique dudit mélange, consistant: - à réaliser un nombre limité de mélanges bitume/polymères, selon la méthode des plans d'expériences, les polymères et le bitume étant identiques dans tous les10 mélanges et les pourcentages respectifs des polymères pouvant être fixés à un niveau maximum ou à un niveau minimum d'une gamme de valeurs déterminée pour chaque polymère, - à mesurer la(les)dite(s) caractéristique(s) physique(s) pour chacun desdits mélanges, - et à en déduire, par des calculs statistiques, une modélisation de la (des)dite(s) caractéristique(s) physique(s). 2. Procédé selon la revendication 1, consistant de plus: - à réaliser au moins quatre mélanges supplémentaires incorporant un autre polymère, - à mesurer la(les)dite(s) caractéristique(s) physique(s) pour chacun de ces mélanges supplémentaires, - et à en déduire les modifications à apporter à la modélisation de la(des)dite(s) caractéristique(s) physique(s), pour tenir compte de l'introduction de cet autre polymère. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, le mélange bitume/polymères comportant des charges. 4. Procédé selon la revendication 3, le pourcentage de charges étant constant dans le mélange. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, la(les) caractéristique(s) physique(s) du mélange est(sont) 16 2768518 la flexibilité à basse température à l'état neuf et à l'état vieilli, la viscosité Brookfield à 180 C, la pénétration à C et 600C et/ou la température de ramollissement. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, les polymères dudit mélange bitume/polymères sont choisis parmi les APP, IPP et les copolymères du type éthylène/propylène. 7. Procédé de détermination d'une(de) caractéristique(s) physique(s) d'un mélange bitume/polymères, en fonction des polymères utilisés10 consistant, - à mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 6 pour établir l'influence du pourcentage de chaque polymère sur la(les)dite(s) caractéristique(s) physique(s) du mélange15 - et à fixer les pourcentages de chaque polymère pour en déduire la valeur de la(des) dite(s) caractéristique(s) physique(s). 8. Procédé d'obtention d'un mélange bitume/polymères présentant une (des) caractéristique(s) physique(s) déterminée(s) consistant: - à mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 6 pour établir l'influence du pourcentage de chaque polymère sur la(les)dite(s) caractéristique(s) physique(s), - à fixer une gamme de valeurs pour la(les)dite(s) caractéristique(s) et - à déduire le pourcentage de chaque polymère dans le mélange. 9. Procédé selon la revendication 8, consistant à déterminer les pourcentages des polymères en tenant également compte de leur coût. 10. Procédé de modification d'un mélange bitume/polymères présentant une(des) caractéristique(s) physique(s) de valeur déterminée, 17 2768518 - à mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 6 pour établir l'influence du pourcentage de chaque polymère dans le mélange, sur la(les) dite(s) caractéristique(s) physique(s), - à fixer d'autres valeurs de la(des)dite(s) caractéristique(s) physique(s) dudit mélange et - à calculer la quantité supplémentaire d'au moins un polymère à ajouter dans ledit mélange pour qu'il présente des caractéristiques physiques de valeurs sensiblement égale à ces autres valeurs.