Brevet FR2809409A1 — publié le 20011130

La présente invention concerne un liant bitumi neux pour enrobés à chaud destinés à la réalisation de cou ches de roulement de chaussées. Depuis leur apparition dans les années 1920 aux Etats-Unis, les enrobés à chaud pour assises et couches de roulement de chaussées ont connu un développement considéra ble ; titre indicatif, en France, plus de 30 millions de tonnes d'enrobés à chaud sont appliquées chaque année pour la réalisation de routes et d'autoroutes neuves et aussi pour l'entretien du réseau existant. De tels enrobés sont constitués par des mélanges d'une part de matériaux granulaires issus de roches dures concassées auxquels on ajoute une certaine proportion de sa ble ou de particules passant au tamis de 80 u dites fines d'apport et d'autre part de bitume qui correspond à un résidu de distillation des pétroles bruts dans les raffineries. Ces enrobés à chaud sont fabriqués dans des cen trales d'enrobage, c'est-à-dire dans des usines fixes ou mo biles pouvant se déplacer au gré des chantiers ; celles-ci sont schématiquement composées - d'un ensemble de prédoseurs recevant chacun une fraction du matériau granulaire entrant dans la composition l'enrobé, - d'un élévateur à froid entraînant les matériaux granulaires dans un tambour sécheur où ils sont portés à une tempéra ture de l'ordre de 150 à 180 C, - d'un malaxeur dans lequel est introduit le liant chauffé une température du même ordre que celle des granulats ainsi qu'éventuellement les fines d'apport, et - d'une trémie de stockage. Le matériau ainsi obtenu est ensuite directement étalé sur la chaussée selon une épaisseur donnée puis compac- té. Pendant de nombreuses années, les enrobés bitumi neux ont été fabriqués à partir de liants constitués par des bitumes purs obtenus par distillation directe de produits pé troliers ; ceux-ci sont caractérisés par des normes parmi lesquelles on peut à titre d'exemple mentionner la norme NFT 66.004 ' définit la pénétrabilité à l'aiguille en core la norme NFT 66.008 qui définit le point de ramollisse ment dit bille et anneau . est bien connu que la consistance de bitu mes purs décroît fortement avec la température : en effet, à basse température et en particulier à des températures infé rieures à ils sont très durs mais fragiles et cassants, alors qu'ils se ramollissent jusqu'à devenir souples puis li quides lorsque la température augmente. Cette caractéristique des bitumes purs entraîne un certain nombre d'inconvénients lorsque ceux-ci sont mis en #uvre pour la réalisation d'enrobés à chaud dans le cadre de la technique routière. En effet, en hiver, la couche de roulement qui est à basse température constitue un matériau dur. Toutefois celle-ci repose sur des couches de fondation dont la résis tance est plus faible et qui ont tendance à plier en particu lier sous la charge et les contraintes occasionnées par la circulation poids lourds ; ce phénomène est particulière ment marqué lors du dégel suite à la présence au sein des couches de fondation de lentilles de glace qui se convertis sent en eau remontent en surface, augmentant ainsi la te neur en eau à ce niveau. Or, par suite de son manque de souplesse de son caractère cassant, la couche de roulement surmontant ces couches de fondation travaille en fatigue et se trouve fragi lisée, avec pour résultat une fissuration en étoile un faïençage . Les phénomènes se produisant en été, lorsque la température à la surface de la couche de roulement peut at teindre des valeurs de l'ordre de 70 C sont essentiellement différents : effet les couches de fondation sont alors so lides et résistantes mais le matériau constitutif de la cou che de roulement est soumis à des déformations importantes consécutives fait qu'il se ramollit, ce qui entraîne un risque d'orniérage. Par suite, les couches de roulement de chaussées réalisées avec des enrobés à chaud obtenus à partir de bitume pur de distillation directe présentent des inconvénients im portants que les spécialistes de la technique routière ont tenté à maintes reprises de surmonter. A cet effet, ils ont cherché à aplanir la courbe représentant les variations de la consistance du bi tume pur en fonction de la température ou pour le moins à di minuer sa pente suite à l'ajout d'additifs de manière à diminuer la sensibilité des liants bitumineux à la tempéra ture. Dans ce but, ils ont proposé d'ajouter au bitume une certaine proportion de polymères de synthèse thermoplas tiques choisis en particulier parmi les SBS (copolymères sty- rène/butadiène/styrène) ou les EVA (copolymères éthylène/acétate de vinyle) de façon à obtenir des bitumes dits modifiés . tels bitumes modifiés aux polymères de syn thèse sont classiquement fabriqués dans des usines spécifi ques qui sont équipées de cuves de grande capacité munies de malaxeurs et homogénéiseurs ou broyeurs à haut pouvoir de cisaillement. Le bitume est introduit dans ces cuves à une température d'environ 180 C et le mélange une fois effectue est aspiré puis recyclé. L'opération de malaxage dure en rè gle générale une à deux heures. bitumes modifiés qui sont caractérisés des normes bien connues des spécialistes de la technique rou tière sont nettement moins sensibles à la température que les bitumes purs distillation directe et sont en particulier moins fragiles et cassants à basse température mais plus ' gides à des températures dépassant 40 C. Par suite, les enrobés à chaud pour couches roulement chaussées réalisés à partir de tels liants au bitume modifie présentent l'avantage de conserver leur sou plesse en hiver, donc d'être moins sujets à des problèmes dégradation fatigue, et d'être parallèlement moins sensi bles à l'ornierage en été. Ces liants au bitume modifié présentent toutefois l'inconvénient d'être onéreux. En effet, le bitume pur dont le coût, variable en fonction de la demande et du prix du baril de pétrole est ac- tuellement un peu supérieur 1 000,00 F/T est un produit rela tivement bon marché. Au contraire, le prix des polymères de synthèse de type SBS ou EVA est plus élevé d'environ un facteur 10 il s'agit donc là de produits pouvant être qualifiés d'onéreux. Pour cette raison, les spécialistes n'ajoutent au bitume pur que la proportion minimum de polymères de synthèse permettant d'obtenir un effet significatif dans le contexte considéré. En conséquence les liants bitumineux au bitume modifié pour enrobés à chaud destinés à la réalisation de couches de roulement de chaussées renferment en règle géné rale 4 à 5 % en poids de polymères de synthèse et 95 à 96 en poids de bitume pur. La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients en proposant un liant bitumineux pour enro bés a chaud destinés à la réalisation de couches roulement de chaussées permettant d'obtenir des enrobés aux caractéris tiques comparables voire supérieures à celles des enrobés réalisés au liant au bitume modifié, mais parallelement d'un coût nettement inférieur. La conception de ce liant bitumineux est basée sur l'idée d'incorporer une proportion notable chaux hy dratée au mélange bitume pur/polymères de synthèse. La chaux hydratée qui est obtenue par hydratation de l'oxyde de calcium, donc dérivée de la cuisson du calcaire est en effet un produit disponible en grande quantité, ce à un prix qui est actuellement inférieur à celui du bitume pur de distillation directe. La chaux hydratée qui se distingue par sa finesse remarquable a déjà été mise en #uvre pour la fabrication d'enrobés à chaud destinés à la technique routière en tant de fines d'apport, notamment aux Etats-Unis ; elle constitue alors un additif solide qui est ajouté au matériau granulaire au niveau de la centrale d'enrobage, et a en particulier pour fonction de remédier à des problèmes d'adhésivité entre le liant et les granulats. Le liant bitumineux conformé à l'invention caractérisé en ce qu'il renferme en proportion pondérale - 76 à % de bitume pur, - 2 à 4 % de polymères de synthèse issus de l'industrie trochimique, et - 1 à % de chaux hydratée. Le bitume pur correspond aux bitumes de distilla tion directe classiquement utilisés pour la réalisation d'enrobes à chaud pour couches de roulement de chaussées, c'est-à dire en règle générale à un bitume de pénétrabilité 35/50, 50/70, 180/220 ou de préférence 70/100 selon la norme NFT 66. Le choix du bitume effectivement mis en ceuvre dé pend du trafic de la chaussée, de la granularité du matériau granulaire, en particulier de son caractère continu ou dis continu et de sa teneur en sable et en fines d'apport, ainsi que de l'épaisseur de la couche de roulement. Ce choix cor respond à une démarche usuelle pour les spécialistes de la technique routière. Les polymères de synthèse entrant dans la compo sition du liant peuvent quant à eux être avantageusement choisis parmi les SBS (copolymères styrè nes/butadiène/styrène), les EVA (copolymères éthylène/acétate de vinyle) et leur mélange. En fonction des caractéristiques finalement sou haitées pour la couche de roulement, on peut bien entendu sans pour cela sortir du cadre de l'invention mettre en oeuvre des polymères de synthèse autres, tels qu'à titre d'exemple des EMA (éthylène/acrylate de méthyle) ou des SIS (sty rène/isoprène/styrène). Selon une caractéristique préférentielle l'invention, le liant bitumineux renferme en proportion pon dérale 85 à 91 % de préférence environ 87 % de bitume pur, environ 3 % de polymères de synthèse et 6 à 12 % de préfé rence environ 10 % de chaux hydratée. De manière surprenante, on a pu constater qu' tel liant bitumineux qui renferme d'une part une proportion de polymères de synthèse inférieure d'au moins 1 % en poids a celle liants au bitume modifié classiques et d'autre part une proportion notablement moindre de bitume pur de distilla tion directe présente des caractéristiques comparables à cel les liants à base de bitumes modifiés classiques, tout en étant nettement moins onéreux. De plus, les enrobés à chaud pour couches de rou lement de chaussées réalisés à partir de tels liants bitumi neux se sont avérés supérieurs à ceux réalisés à partir des liants au bitume modifié classiques : on a pu en particulier noter une amélioration de l'adhésivité ainsi que de la mania bilité des enrobés c'est-à-dire de leur facilite de mise en #uvre sur le chantier et de leur aptitude à l'étalage et au compactage. En outre, la présence de chaux hydratée au sein de l'enrobé permet de ralentir le vieillissement de la chaus sée : il s'agit en effet là d'une base forte permettant de neutraliser les processus de vieillissement bitume qui sont en règle générale de nature acide. Conformément à l'invention, ces avantages se sont révélés particulièrement marqués dans le cas liants bitu mineux renfermant en proportion pondérale environ 1,5 % de polymères de synthèse de type SBS et environ 1,5 % de polymè res de synthèse de type EVA. L'invention se rapporte également à un procédé de fabrication d'un tel liant bitumineux. Un tel procédé est caractérisé en ce que l'on porte le bitume pur à 180 C et on y ajoute progressivement les polymères de synthèse et la chaux hydratée sous agita tion, de préférence dans un mélangeur équipé d'une hélice et d'une turbine. Dans le cas particulièrement avantageux d'un liant renfermant un mélange de polymères de synthèse de type SBS et de polymères de synthèse de type EVA, on peut avanta geusement ajouter progressivement au bitume pur, tout d'abord le polymère de synthèse de type SBS, puis la chaux hydratée, puis enfin le polymère de synthèse de type EVA. Dans tous les cas, la durée totale du mélange doit être d'au moins 1 heure 30 minutes. La présente invention concerne également un enro bé chaux pour couches de roulement de chaussées fabriqué à partir d'un liant bitumineux du type susmentionné. Selon l'invention, un tel enrobé à chaud est ca ractérisé en ce qu'il renferme, en proportion pondérale entre 5 et 8 % de liant bitumineux et entre 92 et 95 % d'un maté riau granulaire de granularité 0/6, 0/10 ou 0/ 4, de préfé rence environ 5,5 % de liant et 94,5 % de matériaux granulaires pour une granularité 0/14. Comme il a déjà été indiqué, les caractéristiques du matériau granulaire effectivement mis en #uvre dépendent dans chaque cas du trafic de la chaussée, ainsi que de l'épaisseur de la couche de roulement. Les caractéristiques particulièrement avantageu ses du liant bitumineux ainsi que de l'enrobé à chaud pour couches de roulement de chaussées fabriqué à partir d'un tel liant bitumineux ont été mises en lumière par des exemples comparatifs dont les résultats sont mentionnés ci-dessous. On a fabriqué un liant au bitume modifié classi que renfermant en proportion pondérale 96 $ de bitume pur de pénétrabilité 70/100, 2,5 % de polymères de synthèse de type EVA et 1,5 % de polymères de synthèse de type SBS selon le mode opératoire décrit ci-dessous. On a chauffé le bitume à 180 C et transféré ce lui-ci dans un mélangeur équipé d'une hélice et d'une tur bine. On y a ajouté progressivement le polymère de synthèse de type SBS en mettant en #uvre l'hélice et en faisant tour ner la turbine à 4 000 tours/minutes ce pendant 20 minutes, et on a poursuivi l'agitation durant encore 10 minutes. On a ensuite coupé la turbine et ajouté le poly mère de type EVA au mélange ainsi obtenu en actionnant l'hélice pendant 20 minutes, puis remis en marche la turbine à 5 200 tours/minutes pendant 30 minutes. La durée totale du mélange a donc été de 1 heure 20 minutes. Parallèlement, on a fabriqué un liant bitumineux conforme à l'invention renfermant en proportion pondérale 87 % de bitume pur de pénétrabilité 70/100, 1,5 % de polymè res de synthèse de type SBS, 1,5 % de polymères de synthèse de type EVA et 10 % de chaux hydratée, ce selon le mode opé ratoire décrit ci-dessous On a chauffé le bitume à 180 C et transféré ce lui-ci dans un mélangeur équipé d'une hélice et d'une tur bine. On y a ajouté et progressivement le polymère synthèse de type SBS, en actionnant l'hélice et en faisant tourner la turbine à une vitesse de 4 000 tours minutes, pendant minutes. On a poursuivi l'agitation pendant encore 10 minutes puis coupé la turbine et ajouté la chaux hydratée On a poursuivi l'agitation du mélange ainsi obte nu en maintenant l'actionnement de l'hélice pendant 30 minutes. On a ensuite introduit progressivement le poly mère de synthèse de type EVA pendant 20 minutes en poursui vant toujours l'actionnement de l'hélice, puis remis la turbine marche à une vitesse de 5 200 tours/minutes pen dant 20 minutes. La durée totale du mélange a donc été 140 minutes. On a effectué une série d'essais comparatifs les deux types de liants susmentionnés à savoir le liant bitume modifié classique et le liant conforme à l'invention ainsi sur un liant de référence constitué par un bitume pur de pénétrabilité 35/50 en appliquant les normes mention nées ci-dessous. Intitulé Référence norme Pénétrabilité à l'aiguille des produits bitumi- NET 66-004 neux Determination du point de ramollissement des NET 66 produits bitumineux - méthode bille et an neau Determination de la densité relative des pro- NF EN 3838 duits bitumineux - méthode du pycnomètre (ex NET 66-007) Essai de traction sur haltère (H2) NET 66-038 Détermination de l'énergie conventionnelle par NET 66-039 essai de traction sur haltère (H2) Détermination du point de Fragilité selon Fraass NET 66-026 Susceptibilité thermique d'un bitume (IP LCPC) mode opératoire LCPC RLB1 (1964) Essai de stabilité au stockage (bitume-polymère) prEN 13399 Viscosité à 135 C (bitume-polymère) prEN 13-702-2 On a ainsi obtenu les résultats rassemblés dans les tableaux ci-dessous Ces résultats montrent clairement que les carac téristiques du liant bitumineux conforme à l'invention sont en tout point similaires à celles du liant au bitume modifie classique et largement supérieures à celles du bitume pur de distillation directe de référence. On a ensuite fabriqué à partir des trois types de liants susmentionnés des enrobés à chaud de type BBMaO/ (NFP 98-132) destinés à être étalés sur une chaussée devant supporter un trafic très élevé de façon à former une couche de roulement de 4 à 5 cm d'épaisseur. A cet effet, on a mis en #uvre un matériau granu laire (fraction sableuse et matériau concassé) provenant de roches dures dont la granularité est représentée par le ta bleau ci-dessous qui indique le pourcentage de passant en poids en fonction des dimensions du tamis en millimètres. Tamis en mm Passant en 14 97 10 67 6,3 34 4 2 34 0, 8 Le dosage de liant mis en #uvre, calculé comme décrit dans la norme NFP 98-132 s'est élevé à 5,5 %. résultats de ces essais en laboratoire sont rassemblés ci-dessous 1. Essais de compression simple type Duriez/LCPC (norme NFP 98-251-1) a) avec le liant au bitume pur 35/50 de référence % de vides sur les éprouvettes cylindriques réalisées en compactage statique : 9,8 Résistance à la compression à 18 C en MPa à sec R = 8,05 Résistance à la compression à 18 C en Mpa après immer sion (7 jours) : r = 6,85 R/R = 0,85 b) avec le liant au bitume modifié classique de vides sur les éprouvette cylindriques réalisées en compactage statique : 9,1 Résistance à la compression à 18 C en Mpa à sec R = 6,5 Résistance à la compression à 18 C en après immer sion (7 jours) : r = 5,85 R/R = 0,9 avec le liant conforme à l'invention % de vides sur les éprouvette cylindriques réalisées en compactage statique Résistance à la compression à 18 C en à sec R = 7,1 Résistance à la compression à 18 C en Mpa après immer sion (7 jours) : r = 6,8 R/R = 0,96 2. Essais à la Presse à Cisaillement Giratoire (PCG) (norme 98-252) a) avec le liant au bitume pur de référence Spécifications BBMa % de vies à 10 girations = 17,4 % de vides à 10 girations >_ 9 $ de vides à 40 girations = 11,1 % de vides à 40 girations 6 min 12 max b) avec le liant au bitume modifié classique Spécifications BBMa % de vies à 10 girations = 16,9 % de vides à 10 girations >_ 9 % de vides à 40 girations = 11,4 % de vides à 40 girations 6 min 12 max c) avec le liant conforme à l'invention Spécifications BBMa % de vies à 10 girations = 16,1 % de vides à 10 girations >_ 9 % de vides à 40 girations = 11,9 % de vides à 40 girations 6 min 12 max 3. Essais d'Orniérage (norme NF P 98-253-1) Profondeur d'ornière en % de l'épaisseur d'une dalle de 5 cm d'épaisseur avec le liant prévisible de chantier à estimé au % de vides PCG (nome NF P 98-252) à gi rations. avec le liant au bitume pur de référence % d'ornière : 6 % à 10 000 cycles (spécifications a) avec le liant au bitume pur de référence = 108 x 10-6 (spécification ? 100 x 10-6) avec le liant au bitume modifié classique = 135 x 10-6 (spécification >_ 100 x 10-6) avec le liant conforme à l'invention = 130 x 10-6 (spécification >_ 100 x 10-6) Ces résultats démontrent clairement la supériori té enrobé réalisé avec le liant bitumineux conforme à l'invention, en particulier du point de vue de la maniabili té, 'adhésivité liant/granulat (résistance au désenro- bage) de la résistance à l'orniérage et de la tenue en fatigue par rapport à l'enrobé confectionné au bitume de référence 35/50. R E V E N D I C A T I 0 N S Liant bitumineux pour enrobés à chaud destinés à réa lisation de couches de roulement de chaussées, caractérisé en ce qu' renferme en proportion pondérale 76 à 97 % de bitume pur, - 2 à 4 % de polymères de synthèse issus de l'industrie pé- trochimique, et 1 à 20 % de chaux hydratée. ) Liant bitumineux selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bitume pur est un bitume pur de distillation directe de penétrabilité 35/50, 50/70, 70/l00 ou 180/220 selon norme NFT 66.004. Liant bitumineux selon la revendication 2, caractérisé en ce que le bitume pur est un bitume pur de distillation directe de pénétrabilité 70/100 selon la norme NFT 66.004. 4 ) Liant bitumineux selon l'une quelconque des revendica tions 1 à 3, caractérisé en ce que les polymères de synthèse sont choisis parmi les SBS (copoly- mères styrène /butadiène/styrène), les EVA (copolymères éthy- lène/acétate de vinyle) et leur mélange. Liant bitumineux selon l'une quelconque des revendica tions 1 à 4, caractérisé en ce qu' renferme en proportion pondérale 85 à 91 % de préférence environ 87 % de bitume pur, environ 3 % de polymères de syn thèse et 6 à 12 % de préférence environ 10 % de chaux hydra- tee. 6 ) Liant bitumineux selon la revendication 5, caractérisé en ce qu' il renferme en proportion pondérale environ 1, % de polymè res de synthèse de type SBS et environ 1,5 % de polymères de synthèse de type EVA. 7 ) Procédé de fabrication d'un liant bitumineux selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on porte le bitume pur à 180 C et on y ajoute progressive ment les polymères de synthèse et la chaux hydratée sous agi tation, de préférence dans un mélangeur équipe d'une hélice et d'une turbine. 8 ) Procédé selon les revendications 6 et 7, caractérisé en ce que l'on ajoute progressivement au bitume pur tout abord le po lymère de synthèse de type SBS, puis la chaux hydratée puis enfin le polymere de synthèse de type EVA. 9 ) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la durée totale du mélange est d'au moins 1 heure 30 minutes. 10 ) Enrobés à chaux pour couche de roulement de chaussées fabriqués à partir d'un liant bitumineux selon une quelcon que des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu' il renferme en proportion pondérale entre 5 et 8 % de liant bitumineux et entre 92 et 95 % d'un matériau granulaire de granularité 0/6, 0/10 ou 0/14, de préférence environ 5,5 % de liant et 94,5 - de matériaux granulaires pour une granularité 0/14.